Одним из важных факторов выбора конструктивных решений в металлоконструкциях является их огнезащита. Уже при температуре 400-500oС потеря несущей способности большинства сталей составляет более 20%. Причина быстрого исчерпания способности противостоять воздействию пожара не защищенными стальными конструкциями заключается в больших значениях теплопроводности металла. Огнестойкость – характеристика пожарной безопасности здания, которая заключается в способности строительных конструкций и элементов сохранять свою несущую и ограждающую способность, а также оказывать сопротивление распространению огня.
Критерии выбора конструктивной формы стальных конструкций быстровозводимых зданий.
Огнезащита стальных конструкций
Различают понятия степени огнестойкости для быстровозводимых зданий и предела огнестойкости для строительных конструкций и элементов. Степень огнестойкости определяется пределами огнестойкости основных строительных конструкций и пределами распространения огня по ним. Все здания и сооружения подразделяются на 8 степеней огнестойкости, которые устанавливаются в зависимости от назначения, категории по взрывопожарной и пожарной опасности здания, его высоты (этажности), площади этажа в пределах противопожарного отсека. Показателем огнестойкости является предел огнестойкости конструкций, который определяется временем (в минутах) от начала огневого испытания конструкции по стандартному температурному режиму до наступления одного из предельных состояний конструкции:
Классификация огнезащиты
Способы огнезащиты делятся на две основные группы – пассивные и активные. Пассивная огнезащита стальных каркасов достигается конструктивными мероприятиями либо специальными материалами огнезащиты. Активная огнезащита достигается в основном применением современных систем противопожарной защиты. Способ и средство огнезащиты стальных конструкций определяется при проектировании конкретного объекта с учетом следующих условий:
Для повышения устойчивости элементов металлоконструкций при воздействии высоких температур могут быть использованы следующие основные виды конструктивной огнезащиты:
Основные специальные средства огнезащиты:
Конструктивная огнезащита
В некоторых условиях оправданным является применение конструктивной огнезащиты. При этом огнестойкость несущих конструкций достигается применением конструкционных и ограждающих материалов, которые могут являться как частью несущей системы, так и иметь только защитную функцию. Конструктивная огнезащита экономически намного более выгодна, чем применение специальных плит и покрытий, однако утяжеляет конструкции и увеличивает их габариты. Для конструкций перекрытий – балок, ферм и т. п. – естественной конструктивной огнезащитой являются плиты перекрытий при выполнении последних из железобетона. Толщина и теплоемкость железобетона, особенно при примыкании плит на нижний пояс, защищают балки от воздействия огня.
В современном строительстве в качестве конструктивной огнезащиты применяются частичное или полное обетонирование стальных сечений. Это позволяет не только достичь желаемого предела огнестойкости, но и повысить несущую способность элементов, обеспечив совместную работу бетона и стали. Кроме того, в бетонном заполнении могут быть размещены дополнительно арматурные каркасы.
В качестве конструктивной защиты колонн также широко применяется бетон. Колонны с частичным обетонированием достигают 60 минут огнестойкости, а при заполнении бетоном замкнутых сечений
– до 120 минут. Колонны, обетонированные полностью, имеют более длительную огнестойкость в зависимости от толщины бетонного покрытия. Часто более экономичным является частичное обетонирование стальных профилей в заводских условиях перед их доставкой на строительную площадку, с последующим покрытием соединений огнеупорной минеральной ватой или аналогичными материалами.
Облицовка стальных колонн бетонными блоками и кирпичом дает наибольшую огнестойкость – до 5 -6 часов, однако существенно забирает площадь и не может позволить учитывать совместную работу кладки и стержня колонны.
Специальные огнезащитные материалы
К специальным средствам огнезащиты в основном относятся огнезащитные плиты и напыляемые материалы. Напыляемые и плитные огнезащитные материалы обладают низкой теплопроводностью и достаточно устойчивы к повреждениям при пожаре. Напыляемые материалы зачастую изготавливаются на основе вяжущих и поэтому могут иметь большую толщину, чем огнезащитные плиты, которые чаще всего состоят из гипса с содержанием стекловолокна, силиката кальция и легких инертных наполнителей – перлита, вермикулита и т. д. Огнезащитные плиты широко используются для защиты конструкций от огня вне зависимости от того, подлежит впоследствии элемент отделке или нет, так как обладают собственным достаточно эстетичным видом.
Плиты производятся в заводских условиях, и их толщина и эксплуатационные характеристики могут быть гарантированы производителем. Установка огнезащитных панелей на строительной площадке не требует «мокрых» процессов и не оказывает значительного влияния на другие виды деятельности. Кроме того, плиты устанавливаются на неокрашенные металлические конструкции в местах, где нет риска коррозии.
Существуют два основных типа огнезащитных панелей – облегченные и тяжелые. Плотность облегченных панелей обычно составляют 150-250 кг/м3, но они не всегда подходят по своим декоративным свойствам, требуя дополнительной отделки. Тяжелые панели имеют плотность в диапазоне 700-950 кг/м3 и, как правило, используются для огнезащиты открытых конструкций, где важен эстетический аспект. На рис. показаны примеры визуально открытых огнезащитных панелей, которые крепятся на сложные профили элементов.
Как облегченные, так и тяжелые панели могут ограниченно использоваться для огнезащиты конструкций, которые эксплуатируются на открытом воздухе, однако при этом необходимо придерживаться рекомендаций производителя. Основу современных напыляемых огнезащитных материалов составляют цемент и вермикулит, а не, например, гипс, поскольку они достаточно жесткие и сохраняют прочное сцепление с поверхностью элементов, особенно балок. При этом сечение стальных элементов после обработки обычно полностью скрыто из виду по причине значительной толщины, шероховатости и неровности поверхности.
Огнезащитное напыление имеет огромное преимущество перед плитными материалами в технологичности нанесения и в том, что повторяет профиль элемента, таким образом, значительно упрощая огнезащиту конструктивно сложных элементов и узлов. Любые типы огнезащитных покрытий проходят обязательные натурные испытания по определению пределов огнестойкости тех или иных строительных конструкций. На рис. показан момент проведения испытаний на огнестойкость конструкций, которые имеют специальное напыление толщиной около 20 мм для защиты от огня. Как видно на фотографии, испытания показывают, что огнезащитный напыляемый материал остается невредимым в огне в течение проектных 90 минут.
В табл. представлены стандартные толщины огнезащитных напылений и жестких плит на примере обеспечения огнестойкости колонны типа НЕВ 240 (аналог колонного двутавра 24К3) с расчетной высотой 3,2 м. Основным параметром, определяющим возрастание температуры на конструктивном элементе при действии огня, является соотношение его площади внешней поверхности к объему. Для огнезащиты плитами площадь внешней поверхности рассчитывается по периметру плит, которые сформированы вокруг сечения элемента.
При использовании напыляемых или вспучивающихся красок в расчет берется внешний периметр самого сечения с учетом нанесенного покрытия. В большинстве случаев толщина защитного напыления примерно на 20% больше, чем толщина огнезащитных плит при одинаковых качественных характеристиках. В то же время плиты, в отличие от наносящихся покрытий, имеются в наличии только со стандартными толщинами от 12 мм.
Вспучивающиеся покрытия представляют собой материалы, которые наносятся на конструкции в виде красок. Они являются инертными при низких температурах и нормальных условиях окружающей среды, но при достижении высокой температуры такие покрытия вспучиваются и обеспечивают изоляцию элементов посредством обугленного слоя слабой теплопроводности. Внутренняя температура элемента под покрытием при этом достигает максимум 200-250°C, что не снижает физико-механические свойства стали. Стандартное покрытие толщиной 1 мм при действии огня, как правило, расширяется примерно до 50 мм. Изоляционный эффект вспучивающегося покрытия показан на рис.
Толстопленочные вспучивающиеся покрытия имеют относительное расширение значительно меньше, чем тонкопленочные (обычно примерно 10:1), однако обладают большей стойкостью к воздействию внешних факторов (атмосферостойкостью). Поэтому толстопленочные покрытия используются в основном в промышленной и энергетической отраслях, где требуются более надежные и продолжительные сроки службы огнезащитных покрытий.
Огнезащитные покрытия визуально не отличаются от обычной покраски и поэтому обладают достаточными эстетичными свойствами, при этом поверх них возможна любая отделка. Вспучивающиеся покрытия обычно наносят в виде тонкой пленки с толщиной до 2 мм либо толстой пленки при толщине от 3 до 7 мм. Покрытие толщиной до 2 мм может наноситься в заводских условиях с обеспечением высокого уровня контроля толщины вспучивающегося покрытия. Вспучивающиеся покрытия обычно используются для визуально открытых элементов, а также конструктивно сложных сечений и узлов, где использование защитных панелей представляется слишком трудным, как, например, для перфорированных балок.