Здания и их устойчивость при пожаре / Roytman - Zdaniya i ikh ustoychivost pri pozhare 2013

εп 10–4

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

		600 C			450 C
	700 C		500	C
750 C		550 C
	650 C

400 C

350 C

2000

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

γtem

Рис. 7.4. Кривые деформации сталей при εп ≤ 0,02, температуре t °С и степени нагружения γtem Rуn < 290 МПа (сплошная)

или Rуn ≥ 290 МПа (пунктирная)

Для коротких центрально-сжатых элементов гибкостью λ ≥ 104 критическая температура tcr,°С, при которой в результате нагрева наступает потеря их устойчивости, может быть определена без использования формулы (7.12) и графиков на рис. 7.3, 7.4, а с использованием следующей формулы:

				8		π2		1
t	= 20 +	2, 5R	yn	10					.	(7.13)
	cr				λ2σn			E

Таким образом, критическая температура центрально-сжатых стальных элементов должна определяться из условия потери их прочности с использованием формул (7.4), (7.5) или данных табл. 1.2, прил. 1, а также из условия потери их устойчивости с использованием формул (7.12), (7.13) или графиков на рис. 7.3, 7.4. Минимальное значение критической температуры, полученное из этих двух условий, используется для дальнейшего определения предела огнестойкости сжатых элементов.

221

При этом коэффициент γtem вычисляется по формуле (7.10), в которой площадь сечения нетто заменяется на площадь сечения брутто, т. е. Аn = А.

Изменение температуры в твердых телах определяется в результате решения дифференциального уравнения теплопроводности Фурье.

Применительно к металлическим конструкциям для получения аналитических решений этого уравнения используются граничные условия третьего рода, т. е. необходимо знать закон изменения температуры нагревающей среды и изменения коэффициента теплообмена между нагревающей средой и металлической конструкцией.

Изменение температуры нагревающей среды в соответствии со стандартной температурно-временной зависимостью описывается формулой (5.2),

азначениекоэффициентатеплообменаαвычисляетсяпоформуле

α = αk + αл,

где αk – конвективная составляющая; αл – лучистая составляющая. Значения составляющих αk и αл при действии «стандартного» темпе-

ратурного режима соответственно равны:

		Tв	4			Tо
								,
αk = 29; αл = 5, 77εred		100				100
		Tв Tо

где εred – приведенная степень черноты системы «огневая камера – обогреваемая поверхность»; Tв – температура нагревающей среды, К; To – температура обогреваемой поверхности, К.

Значение приведенной степени черноты вычисляют по формуле

εred	=			1		,
		1		1
			+		1
		ε		εо

где ε – степень черноты среды огневой камеры печи; εо – степень черноты обогреваемой поверхности конструкции.

Эти граничные условия нелинейны. Однако металл обладает большим коэффициентом температуропроводности, что способствует быстрому выравниванию температуры на поверхности металла и в его толще.

Для получения аналитического решения уравнения теплопроводности Фурье необходимо использовать постоянное значение удельной теплоемкости металла. В этом случае дифференциальное уравнение нагрева металлического стержня имеет следующий вид:

α tв tcr Sdτ = Ctem. mρ0Vdtст ,

(7.14)

где α – коэффициент теплообмена, Вт/(м2·К); tв – температура нагревающей среды, °С; S – обогреваемая поверхность стержня, м2; Сtem.m – усредненное (постоянное) значение удельной теплоемкости металла, Дж/(кг·К); ρ0 – средняя плотность металла, кг/м3; V – объем стержня, м3; tст – температура стержня.

222

В соответствии с уравнением (7.14), представляющим собой уравнение теплового баланса, тепло, поступающее в стержень через обогреваемую поверхность S, расходуется на нагрев этого стержня объемом V.

Численные решения, реализованные на ЭВМ, позволяют решить дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье для любых граничных условий и любой геометрии сечения конструкции, а также учесть нелинейность характеристик теплопереноса.

Выразим дифференциальное уравнение (7.14) в разностном виде, заменив значение Сtem.m на значение Ctem, определяемое по формуле (6.21):

α t tcr SΔτ = Ctemρ0V tст.Δτ tст ,

(7.15)

гдеtст.Δτ – изменениетемпературыстержнязарасчетныйинтервалвремениΔτ. Представим геометрические параметры стержня S и V в следующем

виде:

S = Ul; V = Al,

гдеU – обогреваемыйпериметрстержня, м; А– площадьсечениястержня, м2; l – длина стержня, м.

Подставив значения S и V в уравнение (7.15)					и решив его относитель-
но tст.Δτ, получим:
t	= t +	α tв tст		,	(7.16)
ст.Δτ	ст	Ctemρ0tred

где tred – приведенная толщина металла, которая дает возможность стержень с любой конфигурацией поперечного сечения привести к простой пластине, мм.

Из формулы (7.16) следует, что температура стержня за расчетный промежуток времени Δτ зависит только от приведенной толщины металла, значение которого равно

tred =	A	.	(7.17)
	U

Формулы для определения приведенной толщины металла для наиболее часто встречающихся форм сечения стержней и условий их нагрева приведены в прил. 1.

С использованием формул (7.16), (7.17) были построены графики зависимости температуры незащищенных элементов стальных конструкций от приведенной толщины металла и времени их нагрева в «стандартном» режиме пожара (рис. 7.5). С помощью этих графиков определяется фактический предел огнестойкости незащищенных стальных конструкций и их элементов из условия потери несущей способности в условиях пожара.

223

Температура t, °С

1000
900			1
800
700
600
500
400					60
					40
300					30
					20
200					15
					10
					5
100					3
0	10	20	30	40	50
		Время τ, мин

Рис. 7.5. Зависимость температуры незащищенных элементов стальных конструкций от времени нагрева по «стандартному» режиму пожара (кривая 1)

(цифры у кривых соответствуют приведенной толщине металла tred, мм)

При опирании на стальные элементы других конструкций (варианты частичного обогрева поверхности элемента, см. прил. 1) теплообмен между ними при построении графиков на рис. 7.5 не учитывался.

Таким образом, для определения фактического предела огнестойкости незащищенных элементов металлических конструкций при действии «стандартного» режима необходимо определить значения коэффициента γtem и критической температуры tcr (статическая задача), а затем значение приведенной толщины металла tred и предел огнестойкости Пф (теплотехническая задача).

7.3.Огнезащита металлических конструкций

Фактический предел огнестойкости стальных конструкций при «стандартном» режиме пожара в зависимости от толщины элементов сечения и величины действующих напряжений составляет от 6 до 25 мин. Исключение составляют стальные оболочки, мембранные покрытия, у которых предел огнестойкости без огнезащиты может достигать 45–60 мин. При проектировании зданий и сооружений предел огнестойкости незащищенных стальных конструкций с приведенной толщиной металла в 1 см

224

допускается принимать равным 15 мин. Значения же требуемых пределов огнестойкости основных строительных конструкций, в том числе металлических, составляют от 15 до 120 мин в зависимости от степени огнестойкости здания и типа конструкций. Таким образом, большинство незащищенных стальных конструкций удовлетворяют требованиям по пределу огнестойкости только в течение 15 мин. Это позволяет сделать вывод о том, что область применения металлических конструкций ограничена по огнестойкости, так как не выполняется условие безопасности: Пф ≥ Птр.

Это условие безопасности является основным критерием обоснования необходимости огнезащиты металлических конструкций, т. е. если Пф ≥ Птр – огнезащита не нужна, а при Пф < Птр – огнезащита необходима.

Выбор конкретного типа огнезащитного состава и материала, установление областей их применения производятся на основе техникоэкономического анализа с учетом величины требуемого предела огнестойкости конструкции; типа защищаемой конструкции; вида нагрузки; темпе- ратурно-влажностных условий эксплуатации и производства монтажных работ; степени агрессивности окружающей среды по отношению к огнезащите и материалу конструкции; увеличения нагрузки на конструкцию за счет массы огнезащиты; трудоемкости монтажа огнезащиты; эстетических требований к конструкции; технико-экономических показателей.

Наиболее надежными способами огнезащиты в настоящее время являются облицовки из негорючих материалов; огнезащитные покрытия; подвесные потолки [59].

В качестве облицовочных материалов для огнезащиты металлических конструкций используются: бетон, кирпич, гипсокартонные листы и другие плитные и листовыеизделия, атакже различныетипы штукатурки(рис. 7.6).

Сетка

а

б

в

Рис. 7.6. Облицовка стальных колонн:

а – бетоном или штукатуркой по сетке; б – кирпичом; в – плитным материалом

225

Облицовка слоем бетона или штукатурки по сетке

Огнезащита металлических конструкций при помощи бетона в отечественном строительстве применяется сравнительно часто. Слой бетона или штукатурки наносят на поверхность конструкции после прикрепления армирующей сетки (рис. 7.6, а).

Толщина слоя бетона составляет 30 мм, если требуется предел огнестойкости 120 мин. Применение такого вида защиты наиболее рационально в том случае, когда одновременно производится усиление ригелей, колонн или стоек, а также узлов сопряжения между элементами, например, при реконструкции зданий и сооружений (рис. 7.7).

1	4
3

5

6

5
2	а
7	1
34	7
2	8
	5
5
б	6
	в

Рис. 7.7. Фрагменты стальных конструкций с огнезащитной облицовкой из штукатурок различного состава:

а– защита узла соединения рядовой колонны с ригелем;

б– защита ригеля, расположенного у стены здания;

в– защита колонны, расположенной у стены здания:

1– колонна; 2 – ригель; 3 – плита перекрытия; 4 – монолитный бетон; 5 – арматурная сетка; 6 – штукатурка; 7 – стена здания;

8 – стойка фахверка

226

Стремление снизить массу огнезащитной облицовки привело к разработке легких штукатурок и покрытий на основе асбеста, перлита, вермикулита, фосфатных соединений и других эффективных материалов. Эти облицовки имеют малую плотность (200–600 кг/м3) и, как следствие, низкую теплопроводность. В случае пожара они не выделяют дыма и токсичных продуктов.

В последнее время применяются облегченные штукатурки, наносимые механическим способом. Примером является перлитовая штукатурка.

Легкие огнезащитные штукатурки более эффективны по сравнению с цементно-песчаными, так как, обеспечивая одинаковый предел огнестойкости конструкции, они значительно меньше утяжеляют каркас здания. В то же время этому виду покрытий свойственны недостатки: материал покрытий мягкий, имеет небольшую конструктивную прочность, легко отслаивается от поверхности металла. Такое покрытие нельзя использовать для открытых поверхностей, незащищенных от механических повреждений, а также для наружных работ. Эти покрытия не защищают от коррозии и не отвечают эстетическим требованиям. Необходимость применения арматурных сеток увеличивает трудоемкость работ.

Облицовка из кирпича

Кирпичную облицовку наиболее часто применяют для повышения предела огнестойкости колонн и стоек (рис. 7.6, б). Кладку для огнезащитной облицовки выполняют из глиняного обыкновенного и силикатного кирпича на цементно-песчаном растворе марки не ниже 50. Устройство огнезащитной облицовки из пустотелых и щелевых кирпичей допускается толщиной только в 1/2 кирпича (120 мм). Кладку выполняют с однорядной перевязкой швов. Горизонтальные и вертикальные швы заполняют раствором с последующей разделкой их снаружи «под расшивку». При облицовке кирпичом учитывают, что у стали и кирпича коэффициенты линейного расширения отличаются в 3 раза. Поэтому устраивают зазор между металлической конструкцией и кирпичной кладкой. Для усиления кирпичную кладку армируют проволокой диаметром до 8 мм. Для получения предела огнестойкости 120 мин достаточен слой кирпича толщиной 65 мм.

Облицовки из бетона и кирпича не боятся сырости, могут применяться практически при любых температурно-влажностных условиях, при наличии агрессивной среды, они устойчивы к атмосферным воздействиям и динамическим нагрузкам. Но эти способы огнезащиты связаны с трудоемкими опалубочными и арматурными работами, малопроизводительны, значительно утяжеляют каркас здания и увеличивают сроки строительства.

227

Облицовки из теплоизоляционных плит

Наиболее перспективны облицовки из теплоизоляционных плит на основе перлита, вермикулита и цемента, асбестоперлитоцементных и полужестких минераловатных плит (рис. 7.6, в) и (рис. 7.8). Толщина плит составляет около 5 см, что обеспечивает предел огнестойкости до 120 мин при условии надежного крепления плит к конструкции.

								5
3	2	4	1	5	2	3		3
	а				12 б	6		5
		9	7	8		2	в	16

				1
11	6	12	10	6	13	6	15	14
	г					д

Рис. 7.8. Облицовка металлических конструкций теплоизоляционными плитами:

а–в – перлитофосфогелевыми; г – перлитовыми и алюминиевыми листами; д – полужесткими минераловатными:

1 – колонна; 2 – перлитофосфогелевая плита; 3 – стеклохолст; 4 – перлитофосфогелевая пробка; 5 – шпилька; 6 – уголок;

7 – сетка; 8 – цементно-песчаный раствор; 9 – перлитовая плита; 10 – профилированный алюминиевый лист; 11 – стальная пластина; 12 – самонарезающий винт; 13 – полужесткая минераловатная плита; 14 – стальной профилированный лист; 15 – заклепка; 16 – балка

Эффективным способом крепления плит является приварка к защищаемой конструкции выпусков арматуры, введенной в плиты в процессе их изготовления. Швы заделывают тем же составом, из которого изготовлены плиты. Другой способ крепления – установка нащельников из холоднотянутых профилей. Нащельники крепятся самонарезающими винтами и в условиях пожара ограничивают температурные и усадочные деформации плит, исключают их преждевременное разрушение.

228

Облицовка гипсокартонными листами

В настоящее время разработана огнезащитная облицовка из гипсокартонных листов. Конструкции выполнены применительно к многоэтажным зданиям и сооружениям со стальным несущим каркасом, с междуэтажными перекрытиями из сборных железобетонных плит или монолита. Эти конструкции значительно легче кирпичной или бетонной облицовки, индустриальны, эффективны с точки зрения огнестойкости (рис. 7.9).

1

34
6
5	а
2	8
5	7
8	1
43
6
2
5	5
	5

в

б

Рис. 7.9. Фрагменты стальных конструкций с огнезащитной облицовкой из гипсокартонных плит:

а– защита узла соединения рядовой колонны с ригелем;

б– защита ригеля, расположенного у стены здания;

в– защита колонны, расположенной у стены здания:

1– колонна; 2 – ригель; 3 – плита перекрытия; 4 – монолитный бетон; 5 – обшивка; 6 – теплоизоляционный пояс; 7 – стойка фахверка; 8 – стена здания

229

При применении гипсокартонных листов допускается демонтаж огнезащитной облицовки и выполнение различных работ по усилению несущих конструкций, а также повторного нанесения антикоррозионного покрытия несущих конструкций здания. Внутреннюю полость между огнезащитой и элементами несущей конструкции можно использовать для монтажа различных инженерных конструкций.

Огнезащитные облицовки из гипсокартонных листов являются довольно перспективным способом огнезащиты. Один слой толщиной 16 мм может обеспечить предел огнестойкости колонн и ригелей до 60 мин. Но, учитывая возможность преждевременного разрушения гипсокартонных листов при пожаре из-за технологических дефектов, рекомендуется устраивать огнезащиту не в один, а в два слоя.

В местах опирания ребристых плит перекрытия на ригели устраивают дополнительную теплоизоляцию в виде пояса из минеральной ваты (рис. 7.9, а, б). Нащельники теплоизоляционного пояса крепят к железобетонным конструкциям дюбель-гвоздями.

Огнезащитные покрытия

Одним из перспективных способов огнезащиты металлических конструкций являются высокоэффективные покрытия, которые наносят на поверхность конструкции сравнительно тонким слоем. Эти покрытия могут быть невспучивающимися и вспучивающимися.

Среди огнезащитных невспучивающихся покрытий используется состав ОФП-МВ.

В настоящее время широко применяется и облегченное покрытие марки ОПВ-180, в состав которого входят гипсоцементное пуццолановое вяжущее вещество, муллитокремнеземное волокно, пластификатор и шлам флотации фосфоритных руд.

Вспучивающиеся огнезащитные покрытия представляют собой композиционные материалы, включающие полимерное вяжущее и наполнители (антипирены, газообразователи, жаростойкие вещества и стабилизаторы вспененного угольного слоя). При вспучивании и одновременном обугливании происходит образование мелкоячеистого по структуре слоя, обладающего низкой теплопроводностью, в результате чего резко замедляется прогрев металлических конструкций.

Огнезащитный состав ОЗС-МВ на основе жидкого стекла, неорганических наполнителей и выгорающих добавок предназначен для создания на поверхности металла огнезащитного вспучивающегося покрытия с целью повышения огнестойкости стальных металлических конструкций, эксплуатируемых внутри помещений зданий, сооружений промышленного и гражданского назначения с относительной влажностью не более 80 %.

230