9.2. Огнезащита металлических конструкций
9.2.1. Способы повышения предела огнестойкости металлических конструкций
Незащищенные стальные конструкции, согласно СНиП 21-01-97, допускается принимать при проектировании зданий в тех случаях, когда минимальый требуемый предел их огнестойкости составляет R 15 (RE 15, REI 15) за исключением случаев R 8. При этом приведенная толщина металла незащищенных стальных конструкций составляет 1 см.
Предел огнестойкости металлических конструкций зависит от типа конструкций, статических схем, величины и характера приложения нагрузки, вида и марки металла, приведенной толщины элементов конструкций, определяемой по соотношению площади их поперечного сечения и обогреваемой части периметра сечения. Приведенная толщина элементов определяется без учета роли поверхностей конструкций, примыкающих к обогреваемой металлической конструкции, при условии, что предел огнестойкости примыкающих конструкций не ниже предела огнестойкости обогреваемой конструкции.
Незащищенные стальные конструкции в большинстве случаев не удовлетворяют требованиям к пределам огнестойкости. Под воздействием высоких температур пожара в результате прогрева у металла снижаются модуль упругости и предел текучести, в результате чего стальные конструкции деформируются, теряют устойчивость и несущую способность. Как правило, пожары в зданиях, выполненных из металлических конструкций, имеют большие размеры и наносят больший материальный ущерб. Поэтому для повышения пожарной безопасности зданий требуется повышение предела огнестойкости основных конструкций. Задача огнезащиты металлических конструкций заключается в создании на поверхности элементов конструкций теплоизолирующих экранов, выдерживающих высокие температуры и непосредственное действие огня. Наличие этих экранов позволяет замедлить прогревание металла и сохранить конструкции свои функции при пожаре в течение заданного периода времени. Огнезащита предназначена для повышения фактического предела огнестойкости конструкции до требуемых значений и для ограничения предела распространения огня по ним, при этом обращается внимание на снижение так называемых побочных эффектов (дымообразования, выделения газообразных токсичных веществ). Эту задачу выполняют путем использования теплозащитных и теплопоглощающих экранов, специальных конструктивных решений, огнезащитных составов, технологических приемов и операций, а также применением материалов пониженной горючести.
Огнезащитное действие экранов основывается либо на их высокой сопротивляемости тепловым воздействиям при пожаре, сохранении в течение заданного времени своих теплофизических характеристик при высоких температурах, либо на их способности претерпевать структурные изменения при тепловых воздействиях с образованием коксоподобных пористых структур, для которых характерна высокая теплоизолирующая способность. Расположение огнезащитных экранов может осуществляться либо непосредственно на поверхности защищаемых конструктивных элементов, либо на расстоянии с помощью специальных конструктивных решений. При контактном способе , огнезащитный состав наносится непосредственно на поверхность защищаемой конструкции; при мембранной – на поверхность вспомогательных элементов, закрепленных на определенном расстоянии от защищаемой поверхности.
Для повышения предела огнестойкости незащищенных стальных конструкций в настоящее время применяются следующие способы:
обетонирование, обкладка кирпичом, оштукатуривание;
облицовка конструкций огнезащитными плитами, выполненными из различных огнестойких материалов;
нанесение непосредственно на поверхность конструкции вспучивающихся и не вспучивающихся огнезащитных покрытий (обмазка, напыление, окраска);
установка огнезащитных экранов, подвесных потолков;
комбинированный способ огнезащиты, представляющий собой оптимальное сочетание различных материалов и способов;
повышение огнестойкости полых стальных конструкций путем заполнения их водой;
повышение огнестойкости металлических конструкций за счет охлаждения их водой, подаваемой непосредственно на конструкции во время
пожара.
Применение того или иного способа огнезащиты определяется специфическими особенностями различных видов конструкций, областями их применения, значениями требуемых приделов огнестойкости, а также температурно-влажностными условиями производства работ по огнезащите и эксплуатации этих конструкций.
Для огнезащиты металлических конструкций используются различные облицовочные материалы: бетон, кирпич, различные типы штукатурки, плитные и листовые изделия (рис. 9.1) [45].
Обетонирование является эффективным способом огнезащиты металлических конструкций. Применение бетонной защиты наиболее рационально, когда одновременно производится усиление колонн или стоек. Обетонирование производят после прикрепления к колонне армирующей сетки (рис. 9.1,а). Для обеспечения предела огнестойкости стальных конструкций до 2 часов требуется слой тяжелого бетона толщиной 50 мм, до 2,5 часаов – 60 мм.
Облицовка из кирпича часто применяется при реконструкции зданий и усилении несущих конструкций при одновременном переводе зданий в более высокую степень огнестойкости. Огнезащита из кирпичной кладки может повторно использоваться после пожара. Кладку для огнезащитной облицовки выполняют из обожженного глиняного или силикатного кирпича на цементно-песчаном растворе марки не ниже 50. Для получения предела огнестойкости 2 часа достаточен слой кирпича толщиной 6,5 см.
Рис. 9.1. Облицовка стальных колонн:
а) штукатуркой по сетке; б) кирпичом; в) гипсовыми плитами;
г) пустотелыми керамическими блоками
Облицовка из теплоизоляционных плит и гипсокартонных листов. Широкое применение для огнезащиты стальных конструкций находят облицовки из теплоизоляционных плит на основе перлита, вермикулита, асбестоперлитоцемента, минеральной ваты. Толщина плит составляет около 5 см, что обеспечивает предел огнестойкости до 2 часов при надежном креплении плит к конструкции.
Огнезащитная облицовка из гипсокартонных листов разработана применительно к многоэтажным зданиям и сооружениям со стальным несущим каркасом, с междуэтажными перекрытиями из сборных железобетонных плит или монолитного железобетона. Один слой толщиной 16 мм может обеспечить предел огнестойкости колонн и ригелей до 1 ч; для повышения надежности рекомендуется устраивать огнезащиту из двух листов. При применении гипсокартонных листов допускается демонтаж огнезащитной облицовки и выполнение различных работ по усилению несущих конструкций, а также повторное нанесение антикоррозионного покрытия несущих конструкций здания. Внутреннюю полость между огнезащитой и элементами несущих конструкций можно использовать для монтажа различных инженерных коммуникаций [37].
Цементно-песчаная штукатурка является традиционным видом огнезащитного покрытия (см. рис. 9.1, а) и рекомендуется для защиты металлических колонн, ригелей, элементов связей, узлов сопряжения между элементами. Она изготавливается из цемента и песка, проста в применении, пригодна для механизированного нанесения, обеспечивает значительный предел огнестойкости защищаемой конструкции (для колонн до 2,5 час при толщине штукатурки 60 мм).
Для снижения массы и повышения огнезащитной эффективности штукатурки в последние годы разрабатываются легкие штукатурки и покрытия на основе асбеста, вспученного перлита, вермикулита, минерального волокна, фосфатных соединений и других эффективных материалов. Такие штукатурки имеют малую плотность (200-600 кг/м3) и поэтому низкую теплопроводность. Технические характеристики, технологические особенности, а также преимущества и недостатки таких штукатурок приведены в [44].
В зависимости от толщины слоя штукатурного состава, облегченного покрытия, конструктивных огнезащитных листов и плит обеспечивается предел огнестойкости стальных конструкции от 0,75 до 2,5 ч.
Технические характеристики некоторых широко применяемых способов огнезащиты металлических конструкций приведены в [37] (табл. 9.1).
Таблица 9.1
Технические характеристики способов огнезащиты
металлических конструкций
Способ огнезащиты |
Объемная масса, кг/м3 |
Толщина огнезащиты, мм, при требуемых пределах огнестойкости, ч |
||||
0,75 |
1 |
1,5 |
2,0 |
2,5 |
||
Обетонированние |
2500 |
– |
– |
– |
50 |
60 |
Огнезащитные облицовки: Кирпич |
1800 |
65 |
65 |
65 |
65 |
120 |
Гипсокартонные листы |
850 |
16 |
16 |
32 |
32 |
- |
Огнезащитные покрытия: Цементно-песчаная штукатурка |
1800 |
25 |
30 |
40 |
50 |
60 |
Перлитовая штукатурка |
500 |
15 |
20 |
30 |
40 |
50 |
Фосфатное покрытие марки ОФП-МВ |
300 |
15 |
20 |
30 |
40 |
45 |
Вспучивающаяся краска ВПМ-2 |
1450 |
4 |
– |
– |
– |
– |
Огнестойкие подвесные потолки являются эффективным средством повышения огнестойкости металлических (и не только) конструкций покрытий и перекрытий, а также ферм и стальных структур. Непосредственная защита таких конструкций облицовками или вспучивающимися покрытиями малонадежна и трудноосуществима в узловых соединениях. Огнезащитная эффективность подвесных потолков, кроме огнезащитных экранов, увеличивается за счет воздушного зазора между экраном и защищаемой конструкцией.
Экраны с тепловым сопротивлением могут при определенных условиях отражать до 90 % тепловой энергии. С учетом этого подвесные потолки из несгораемых или трудносгораемых материалов, но с пределом распространения огня, равным нулю, выполняя роль тепловых экранов, могут существенно замедлить нагрев несущих металлических конструкций.
Конструкция огнестойкого подвесного потолка состоит из металлического каркаса, огнезащитной облицовки и крепежных элементов. Толщина подвесных потолков, включающих каркас и облицовку, составляет до 84 мм. Расстояние от экранов до плоскости защищаемой поверхности 80-350 мм. В качестве облицовок защитных экранов подвесных потолков используются гипсокартонные плиты толщиной 14 мм, гипсокартонные перфорированные плиты толщиной 30 мм с заполнением минеральной ватой и наклейкой алюминиевой фольги, декоративные гипсовые плиты толщиной 20 мм, минераловатные плиты на синтетическом связующем толщиной 30 мм.
Использование таких огнестойких подвесных потолков позволяет повысить предел огнестойкости рассматриваемых металлических конструкций до 0,75–2,5 ч. Наиболее надежными конструкциями огнестойкого подвесного потолка являются такие, которые имеют облицовки и герметичные стыки; устройство в подвесном потолке отверстий и проемов снижает его огнезащитную эффективность [32].
Огнезащита металлических конструкций с помощью применения водяного охлаждения в настоящее время осуществляется двумя способами: заполнением их водой и охлаждением в условиях пожара средствами пожаротушения.
Водой заполняют трубчатые или другие полые конструкции, обладающие достаточной герметичностью и рассчитанные на дополнительные напряжения от гидростатического давления воды [22,23, 32,33,38-43,47,51]. При этом различают конструкции, заполненные водой до пожара и заполняемые во время пожара водой. Последние конструкции применяют лишь в неотапливаемых помещениях и при наличии автоматических систем пожаротушения. Предел огнестойкости водонаполненных конструкций зависит от степени циркуляции воды при пожаре и от удельного расхода воды на единицу площади поверхности, обогреваемой в условиях пожара. В соответствии с этим различают водонаполненные конструкции без системы циркуляции и с циркуляцией воды. Принципиальные схемы наполнения водой металлических конструкций приведены на рис. 9.2.
Рис. 9.2. Принципиальные схемы водонаполненных стальных конструкций:
а) разового наполнения (без циркуляции воды); б) с циркуляцией воды; в) с циркуляцией
и автоматическим пополнением воды; г) заполняемых водой во время пожара;
1 – стальная колонна; 2 – отводящий трубопровод; 3 – резервуар для воды; 4 – трубопровод для пополнения колонны водой; 5 – кран для автоматического пополнения воды;
6 – спринклер; 7 – клапан для подачи воды при срабатывании спринклера; 8 – водопровод.
При заполнении колонн водой принимают меры для исключения коррозии и возможности замерзания воды. С этой целью в воду добавляют этиленгликоль, углекислый калий с нитратом калия и другие ингибиторы коррозии.
Во время пожара в процессе огневого воздействия вода, находящаяся в полых стальных конструкциях, начинает нагреваться и при нагреве 100 0С начинает испаряться, забирая (снимая) тепло со стальной конструкции. В результате такого процесса теплообмена температура стальных конструкций не может критических значений, характеризующих наступление предела их огнестойкости. При нагреве колонн в такой системе (за счет подъема нагретой в отдельных местах воды) устанавливается естественная циркуляция, которая удаляет поток тепла и способствует охлаждению конструкции, находящейся в очаге пожара. При испарении должно происходить понижение уровня воды в питающих резервуарах. Однако система питания резервуаров с водой устроена таким образом, что вся система охлаждения остается полностью заполненной водой на протяжении всего пожара, а достаточное удаление тепла от нагретых стальных элементов при достижении температуры кипения обеспечивается за счет охлаждения при испарении.
Огнезащита стальных конструкций путем внешнего водяного охлаждения рассматривается в отечественной и зарубежной практике. Снижение температуры поверхности стальных конструкций может быть достигнуто с помощью их орошения средствами тушения. В первую очередь необходимо отметить возможность снижения температуры автоматически с помощью спринклерного и дренчерного орошения [22,30,33,44,47]. Существенное значение для обеспечения безопасности металлических конструкций имеет время срабатывания автоматической системы орошения. Если до срабатывания автоматической системы температура на поверхности металлической конструкций будет достигать критическое значение, то может произойти обрушение конструкции. С этой точки зрения лучшими являются такие автоматические системы, которые обеспечивают подачу наибольшего удельного расхода воды или других средств тушения и обладают минимальной инерционностью.
При наличии дренчерной установки пожаротушения может осуществляться огнезащита всех конструкций помещения, а оборудование помещения спринклерной установкой предполагает огнезащиту только прогреваемых конструкций в очаге пожара. Срабатывание автоматических установок пожаротушения происходит раньше достижения критического прогрева конструкций. Очевидно, что в этом случае предел огнестойкости конструкции в основном будет определять время работы установок пожаротушения.
Защита сквозных колонн может осуществляться, когда ороситель находится во внутреннем пространстве колонны. При защите сплошных колонн и стоек оросители следует размещать таким образом, чтобы как можно больше воды попадало на поверхность конструкции. Для обеспечения срабатывания спринклеров (в том случае, если они закрыты от температурного воздействия на них газовой среды) их следует размещать вплотную к поверхности конструкции. Колонны, выполненные из труб или имеющие коробчатое сечение, целесообразно защищать, размещая оросители во внутреннем пространстве таких колонн. В этом случае срабатывание спринклеров будет гарантированно. При защите всех видов вертикальных конструкций вода, попадающая на их поверхность, будет стекать вниз, обеспечивая эффективность огнезащиты.
Огнезащита горизонтальных несущих конструкций, например балок, достигается путем укрепления поддонов по всей длине нижнего пояса балок. Слой воды в этих поддонах, образующийся при работе оросителей, будет обеспечивать требуемую эффективность огнезащиты. В случае защиты балок спринклерами они должны равномерно размещаться по всей длине этих балок. Расходы воды на защиту строительных конструкций необходимо учитывать при проектировании установок пожаротушения. Значения необходимых расходов воды для огнезащиты различных конструкций могут быть определенны расчетным путем или экспериментально. В [47] при выполнении численного эксперимента, конструкции прогревались до 500 0С, а приведенная толщина сечений конструкций варьировалась от 3 до 15 мм. Результаты расчетов показали, что значения расходов воды, необходимых для защиты конструкций, не превышают 0,136 л/см (приведенная толщина сечения 3 мм, время прогрева 120 мин), что определяет возможность совместной защиты помещений и строительных конструкций установками пожаротушения без существенных их изменений. В отличие от традиционных способов огнезащита стальных конструкций автоматическими установками водяного пожаротушения вполне надежна и экономически целесообразна, если в здании имеются такие установки или предполагается их устройство. Кроме того, следует отметить, что в обычных условиях эксплуатации при такой защите стальные конструкции сухие, что не требует дополнительных эксплуатационных затрат.
Использование огнезащитных покрытий является весьма перспективным способом огнезащиты стальных конструкций, так как этот способ наиболее эффективен по сравнению с другими. Кроме этого, они обладают широкими возможностями использования механизированных методов нанесения составов на защищаемую поверхность конструкций. Составы подразделяются на не вспучивающиеся и вспучивающиеся. Если в первом случае огнезащиты блокирование теплового потока от пламени к защищаемой поверхности осуществляется за счет поглощения теплоты материалом огнезащиты, обладающим достаточной теплоемкостью, то в случае вспучивающихся покрытий основную роль играет поглощение теплоты при физико-химических превращениях в слое покрытия.
Вспучивающиеся покрытия наносятся тонким слоем на поверхность конструкции и выполняют в процессе ее эксплуатации функции лакокрасочного декоративно-отделочного материала. Под воздействием высоких температур покрытие всучивается, многократно увеличиваясь в объеме, образуя пористый слой, обладающий хорошими теплоизоляционными свойствами. При образовании вспучивающегося покрытия дополнительный блокирующий эффект дает перемещение его нагреваемой поверхности навстречу источнику нагрева (пламени). При вспучивании покрытия поглощается тепло, в результате разложения отдельных компонентов выделяются ингибиторные газы, высвобождается химически связанная вода, которая, испаряясь создает на поверхности покрытия дополнительный огнезащитный эффект. Вспучивающиеся покрытия при нагревании увеличивают толщину слоя в 10-40 раз. Как правило, вспучивающиеся покрытия более эффективны, так как при тепловых воздействиях происходит образование вспененного угольного слоя, представляющего собой закоксовавшийся расплав веществ, составляющих огнезащитную композицию. Образование этого слоя происходит за счет выделяющихся при нагревании газо- и парообразных веществ.
Вспучивающиеся покрытия являются многокомпонентными системами, состоящими из связующего, антипирена и пенообразователей – вспучивающихся добавок. В качестве связующего используют различные полимеры, латексы, синтетические и натуральные каучуки, эпоксидные полимеры, полиуретаны, минеральные вяжущие (жидкое стекло).
Состав огнезащитных композиций подразделяется на следующие основные группы [12,23,35,44,45]:
вещества, разлагающиеся в интервале 100-200 0С с образованием солей кислот; это неорганические соли фосфорной и борной кислот и фосфорорганические вещества;
вещества, разлагающиеся с выделением паров воды или негорючих газов ( крахмал, декстрин, пентаэритрит, манит, сорбит и др.);
синергиты, к которым относятся мочевина, меламин, дициандиамит, гуанидин, мелем, сульфаты аминобензойной кислоты, производные триазина и другие соединения;
галогеносодержащие вещества типа хлорпарафина, совола, трихлорэтилфосфата, которые способствуют как вспениванию покрытий, так и огнезащите конструкций.
Кроме выше перечисленных компонентов, в состав вспучивающихся композиций входят наполнители, красители, стабилизаторы вспененного слоя и технологические добавки. Общее содержание антиперенов, газообразователей, загустителей, коксующихся и других добавок во вспучивающихся покрытиях составляет 60-70 % без учета разбавителя.
Для улучшения физико-механических и огнезащитных свойств покрытий вводят армирующие волокнистые заполнители (распушенный асбест, стеклоткань, минеральную вату, коалиновое и базальтовое волокно и др.), мочевино-формальдегидные смолы, оксиды цинка, кремнефтористый натрий и другие добавки. Использование волокнистого заполнителя приводит к улучшению прочностных и технологических свойств наносимой композиции, позволяет наносить их более толстым слоем на металлические конструкции для защиты от прогрева и в качестве стабилизаторов вспененного слоя. Являясь неориентированными в пространстве, в размягчающемся при нагреве связующем, они движутся за вспучивающимися слоями и застывают в виде сложно переплетенного каркаса в затвердевшей пене. При длительном воздействии высоких температур начинается процесс усадки, выгорания и озоления вспененного слоя; каркас, спекаясь и оплавляясь, замедляет этот процесс, обеспечивая тем самым теплоизолирующие свойства покрытия, гарантирующие повышение предела огнестойкости конструкций.
Комбинированная огнезащита [45] представляет собой оптимальное сочетание слоев из наиболее эффективных теплоизоляционных материалов с разлагающимися и (или) вспучивающимися покрытиями. В состав композиционной огнезащиты в определенных случаях целесообразно вводить стальные прослойки, выполняющие, наряду с чисто конструкционной функцией, роль экранов для защиты от теплового излучения.
Выбор подходящего для каждого конкретного случая способа огнезащиты и огнезащитных средств, производят с учетом конструктивных, эксплуатационных, технологических и технико-экономических факторов:
величины требуемых пределов огнестойкости конструкций;
типа защищаемой конструкции и ориентации защищаемых поверхностей в пространстве (колонны, стойки, ригели, балки, связи);
вида нагрузок, действующих на конструкцию (статическая, динамическая), а также режима нагружения (тяжелый, средний, легкий);
температурно-влажностных условий эксплуатации и производства работ по огнезащите;
степени агрессивности окружающей среды по отношению к огнезащите и материалу конструкций, а также степени агрессивности материала огнезащиты по отношению к материалу конструкции;
увеличения нагрузки на конструкцию за счет добавки массы огнезащиты;
периода монтажа огнезащиты (во время возведения здания или его реконструкции);
эстетических требований к конструкции;
технико-экономических показателей.
Получить, оптимальное, решение этой задачи можно комбинируя различные средства огнезащиты таким образом, чтобы максимально использовать их достоинства и уменьшить недостатки, т.е. применяя известный принцип композиционности, уже хорошо себя зарекомендовавший в различных областях техники. В настоящее время существует множество вариантов выбора оптимальных сочетаний различных огнезащитных средств; в настоящее время имеются очень большие возможности благодаря наличию обширной номенклатуры выпускаемых как отечественной, так и зарубежной промышленностью составов и материалов. Выбирая для каждого конкретного объекта оптимальную структуру комбинированной огнезащиты и соотношение ее слоев, удается удовлетворить сложные и противоречивые требования, предъявляемые к ней, во всей их совокупности.
В качестве примера рациональных вариантов комбинированной огнезащиты можно предложить следующие конструкции:
1) сочетание базальтоволокнистых материалов с разлагающимся покрытием на основе жидкого стекла типа "Эсма", ОФПМ-12;
2) сочетание базальтоволокнистых материалов различной плотности со вспучивающимися покрытием на органической основе типа СГК-1, ВПМ-2;
3) сочетание базальтоволокнистых материалов со вспучивающимся покрытием на минеральной основе типа ОЗС-МВ;
4) сочетание гипсокартонных или гипсоволокнистых листов с базаль-товолокнистыми или минераловатными материалами различной плотности.
Композиционная огнезащита сохраняет преимущества и устраняет недостатки традиционной огнезащиты. Основные преимущества композиционной огнезащиты по сравнению с другими способами заключаются в следующем:
в существенное снижение массы (например в 5 раз по отношению к огнезащите фосфатными покрытиями);
уменьшение габаритных размеров конструкций с огнезащитой (до 2 раз по сравнению с огнезащитой минераловатными плитами, кирпичной кладкой и т.п.);
повышени прочности и жесткости слоистого композиционного пакета; снижение парапроницаемости огнезащиты в исходном состоянии;
повышении вибростойкости и долговечности огнезащиты за счет механического крепления к конструкциям;
улучшение декоративных и гигиенических качеств огнезащиты;
повышение технологичности и скорости монтажа на объекте.
Эффективность как огнезащитных составов, так и других видов огнезащиты определяется по НПБ 236-97 «Огнезащитные составы для стальных конструкций. Общие требования. Метод определения огнезащитной эффективности». Суть метода заключается в определении огнезащитной эффективности покрытия при тепловом воздействии на опытный образец стали и определении времени от начала теплового воздействия до наступления предельного состояния этого образца. За предельное состояние принимается время достижения температуры 500 0С стали опытных образцов. Согласно этим нормам огнезащитная эффективность составов для стальных конструкций подразделяется на 5 групп:
1 группа – не менее 150 минут;
2 группа – не менее 120 минут;
3 группа – не менее 60 минут;
4 группа – не менее 45 минут;
5 группа – не менее 30 минут.