Вогнезахист металоконструкцій

Вогнезахист сталевих несучих конструкцій

Область застосування різних способів вогнезахисту визначають з урахуванням необхідної межі вогнестійкості металевої конструкції, її типу та орієнтації у просторі (колони, стійки, ригелі, балки, зв'язки), виду навантаження, що діє на конструкцію (статична, динамічна), температурно-вологого режиму експлуатації та виконання робіт з вогнезахисту (сухі, мокрі процеси), ступеня агресивності навколишнього середовища, збільшення навантаження на конструкцію за рахунок вогнезахисту, естетичних вимог та ін.

Будівельні металеві конструкції, що не розповсюджують вогонь, мають неорганічну структуру і є негорючими. В умовах пожежі металеві конструкції в основному втрачають свою несучу здатність через 15 хвилин (0,25 години) [Л1], тому в тих випадках, коли необхідна межа вогнестійкості перевищує це значення, металеві колони, ферми та балки піддають вогнезахисту.

Вимога з вогнезахисту конструкцій споруд регламентується відповідними СНиП, починаючи від СНиП 21-01-97 «Пожежна безпека будівель та споруд» та СНиП, що конкретизують вимоги до даного типу споруд, наприклад, Промислові підприємства – СНиП 2.09.03-8 або СНіП 2.08.01-89 * «Житлові будинки», СНіП 2.08.02-89 «Громадські будинки» і т.д.

Вогнезахист повинен забезпечити високу опірність конструкцій дії вогню та високих температур, мати низьку теплопровідність та достатню адгезію до металу. Вона має бути довговічною, мати низьку вартість, технологія нанесення має бути доступною.

Характеристика металевих конструкцій та вимоги до їх вогнестійкості

Відповідно до вимог СНиП 21-01-97, будівлі діляться на 5 ступенів вогнестійкості в залежності від значень меж вогнестійкості основних будівельних конструкцій, що приймаються в годинах або хвилинах, та меж поширення вогню за ними, що приймаються в сантиметрах. Нормування підлягають: стіни, перегородки, колони, елементи сходових клітин, перекриттів та покриттів. При невідповідності хоча б одного з елементів будівлі (споруди) необхідним значенням ступінь вогнестійкості усієї будівлі зменшується до ступеня вогнестійкості, де значення фактичної межі вогнестійкості не менше необхідного.

Залежно від ступеня вогнестійкості будівлі чи споруди норми пожежної безпеки регламентують їхнє призначення, протипожежні розриви, поверховість, площу пожежних відсіків, довжину шляхів евакуації тощо.

Будівельні конструкції характеризуються вогнестійкістю та пожежною небезпекою.

Межа вогнестійкості будівельних конструкцій встановлюється за часом наступу одного або послідовно кількох нормованих для даної конструкції ознак граничних станів:

втрати несучої здатності,
• втрати цілісності,
• втрати теплоізолюючої здатності.

Межі вогнестійкості будівельних конструкцій встановлюються згідно з ГОСТ 30247.

За пожежною небезпекою будівельні конструкції поділяються на 4 класи:
КО (непожежонебезпечні)
К1 (малопожаронебезпечні)
К2 (помірно пожежонебезпечні)
К3 (пожежонебезпечні)

Клас пожежної небезпеки будівельних конструкцій встановлюють згідно з ГОСТ 30403.

Чинниками, що визначають вплив пожежі на сталеві конструкції, є на думку авторів [Л2]: рівень робочих напруг, температура прогріву конструкції та тривалість впливів. Вплив підвищених температур пожежі призводить до зміни міцнісних і деформаційних властивостей сталей, що застосовуються, появі температурних напруг і деформацій, а тривалість процесу обумовлює можливість виникнення значних деформацій повзучості. Все це може призвести до одержання сталевими конструкціями незворотних деформацій, втрати ними несучої чи огороджувальної здатності. У свою чергу, втрата здатності, що захищає, може стати причиною поширення пожежі в суміжних приміщеннях будівлі зі сталевим просторовим каркасом, а втрата несучої здатності конструкцій може викликати обвалення самих конструкцій.

Зі зростанням температури теплопровідність сталей падає, а питома теплоємність збільшується.

За даними [Л3], в процесі нагрівання несучі сталеві конструкції знаходяться під дією постійного робочого навантаження, а метал цих конструкцій нагрівається в напруженому стані. У цьому випадку зростання деформації та зниження міцності металу залежать від режиму його нагрівання, оскільки ці процеси відбуваються в часі, і, отже, пов'язані з явищем повзучості.

До певної температури деформація сталі збільшується приблизно з постійною швидкістю переважно за рахунок температурного розширення. Потім починає проявлятися температурна повзучість сталі і швидкість зростання деформації зразка плавно зростає. За межами ε аt = 3%, внаслідок різкого збільшення повзучості, крива повних деформацій стали швидко наближається до вертикалі. Отже, можна прийняти, що за значення ε аt = 3 % досягається межа міцності нагрітої сталі.

Незахищені несучі металеві конструкції, як правило, мають дуже низьку межу вогнестійкості.

сталеві - в середньому 0,25

Виняток становлять сталеві мембранні покриття і колони масивного суцільного перерізу, у яких межа вогнестійкості без вогнезахисту може досягати 0,75 год. малою теплоємністю.

Так, наприклад, теплоємність сталевої колони коробчатого перерізу 300x300x10 мм, що має межу вогнестійкості 00203, при якій 5 /м, тобто. у чотири рази більше.

Підвищення теплоємності сталевих колон шляхом застосування суцільного перерізу розміром, наприклад, до 300x300 мм не дозволяє збільшити їхню вогнестійкість до величини, яка характерна для колон із залізобетону. Причиною цього є величезна теплопровідність сталі, завдяки чому весь переріз металевої конструкції швидко прогрівається до високих температур, тоді як центральна частина залізобетонних колон (ядро перерізу) до високих температур прогрівається дуже повільно.

Способи вогнезахисту металевих конструкцій

Вогнезахист призначений для підвищення фактичної межі вогнестійкості конструкцій до необхідних значень. Це завдання виконують шляхом використання теплозахисних та теплопоглинаючих екранів, спеціальних конструктивних рішень, вогнезахисних складів, технологічних прийомів та операцій, а також застосуванням матеріалів зниженої горючості. Вогнезахисна дія екранів ґрунтується або на їх високій опірності тепловим впливам при пожежі, збереженням протягом заданого часу теплофізичних характеристик при високих температурах, або на їх здатності зазнавати структурних змін при теплових впливах з утворенням пористих коксоподібних структур, для яких характерна висока ізолююча здатність.
Розташування вогнезахисних екранів може здійснюватися або безпосередньо на поверхні конструктивних елементів, що захищаються, або на укосі за допомогою спеціальних мембранкоробів, каркасів, заставних деталей.
Вогнезахист передбачає застосування конструктивних методів, використання теплозахисних екранів із полегшених складів, що наносяться на поверхню конструкцій високопродуктивними індустріальними методами.
Конструктивні методи вогнезахисту включають бетонування, обкладку цеглою, оштукатурювання, використання великорозмірних листових і плитних вогнезахисних облицювань, застосування вогнезахистних конструктивних елементів (наприклад вогнезахистних підвісних стель), заповнення внутрішніх порожнин конструкцій, підбір необхідних вузлів примикання, сполучення та з'єднань конструкцій.
Цегляне та бетонне облицювання застосовують [Л4] для підвищення межі вогнестійкості сталевих конструкцій до 2 год і більше. При цьому бетонне облицювання товщиною 50 мм і більше армують сталевим каркасом (хомутом і поздовжніми стрижнями), щоб уникнути передчасного її обвалення при дії вогню. Для виключення цього явища у разі цегляного облицювання товщиною в 1/4 цегли (65 мм) у її швах також встановлюються сталеві анкери або хомути.
Цементно-піщана штукатурка товщини 25-60 мм, що наноситься по сталевій сітці, використовується для підвищення межі вогнестійкості металевих конструкцій до 2-х годин.
При товщині 40-60 мм штукатурку армують подвійною сіткою, що оберігає її від передчасного обвалення під час пожежі.
Зазначені вище облицювання досить надійні та довговічні. Однак вони суттєво збільшують масу конструкцій та є трудомісткими. Прагнення знизити масу вогнезахисного облицювання призвело до розробки легких штукатурок на основі перліту, вермікуліту та інших ефективних матеріалів. Ці облицювання мають малу густину (200-600 кг/см3) і тому низьку теплопровідність. Вони можуть застосовуватися підвищення вогнестійкості конструкцій до 4-х годин.
Для вогнезахисного облицювання можна використовувати напівжорсткі мінераловатні плити, що закріплюються за допомогою сталевих анкерів та каркасів. У цьому випадку необхідно передбачати антикорозійний захист конструкцій та достатню обробку зовнішньої поверхні мінераловатного облицювання декоративними матеріалами.
Для підвищення межі вогнестійкості 0,75 год – 1,5 год застосовують вогнезахисні фарби, лаки, емалі. Вони виконують такі функції: є захисним шаром поверхні матеріалів, поглинають тепло, виділяють інгібіторні гази, вивільняють воду. Поділяються на дві групи: невспучуються і спучуються. Фарби, що не спучуються, при нагріванні не збільшують товщину свого шару. Фарби, що спучуються, при нагріванні збільшують товщину шару в 10-40 разів. Як правило, фарби, що спучуються, більш ефективні, так як при теплових впливах відбувається утворення спіненого шару, що представляє собою закоксований розплав негорючих речовин (мінеральний залишок). Утворення цього шару відбувається за рахунок газо- і пароподібних речовин, що виділяються при нагріванні. Коксовий шар має високі теплоізоляційні якості.
Найбільш технологічним є пристрій тонкошарових покриттів з використанням складів, що спучуються на органічній основі. Їхні вогнезахисні властивості виявляються за рахунок збільшення товщини шару та зміни теплофізичних характеристик при інтенсивному тепловому впливі в умовах пожежі.
При дії високих температур покриття спучується, значно збільшується в обсязі з утворенням пористого коксового шару. Покриття, що спучуються, є багатокомпозиційними системами, що складаються з сполучного, антипірена і плівкоутворювачів. При дії високих температур ці речовини розкладаються, виділяючи пари або гази, які блокують конвективне перенесення тепла до поверхні, що захищається, пригнічуючи полум'я поблизу шару покриття і зменшують радіаційний потік тепла.
Пористий шар, що утворюється, обглинається покриття є теплоізоляційним шаром між джерелом тепла і поверхнею, що захищається. Об'єм обвугленого шару, що утворився, в залежності від складу, може становити від 5 до 200 початкових обсягів покриття.
Коефіцієнт спукування залежить не тільки від природних властивостей матеріалу, а й від умов його нагрівання (максимальної температури та швидкості її підйому). Тому для того самого матеріалу, що володіє здатністю спучуватися при нагріванні, коефіцієнт спучування може коливатися в дуже широких межах. Причиною спучування та утворення пористості є виділення водяної пари або газу при високих температурах. Одні види сировини при нагріванні розм'якшуються, що сприяє виникненню в них пір, інші розтріскуються і розпадаються на дрібніші частинки, ніж до нагрівання, що також призводить до утворення високопористої структури.
На думку [Л.5], механізм роботи покриття, що спучується, полягає в наступному. При односторонньому нагріванні покриття в його підповерхневому шарі формується змінне за товщиною і часом температурне поле, а також виділяються газоподібні продукти термічного розкладання полімерної або мінеральної основи. Внаслідок цього збільшується пористість матеріалу й у порах створюється підвищений тиск. У діапазоні температур (зовнішня поверхня - поверхня конструкції, що захищається) каркас пористого підповерхневого шару проходить через пластичний (в'язко-текучий) стан і під дією внутрішнього тиску витягується до утворення у «вузьких місцях» розривів - локальних тріщин, через які надлишок газів піролізу випливає у навколишнє середовище, взаємодіючи з нею. Локальні деформації каркасу, підсумовуючи зростаючу в часі товщину пластичного шару, створюють ефект спучування - переміщення поверхні покриття «назустріч» зовнішньому тепловому потоку.
У міру зростання температури каркас твердне і фіксується в просторі, утворюючи спінений шар, в комірках якого міститься азот та вуглекислий газ.
Вогнестійкість металоконструкцій (здатність зберігати міцність і жорсткість при безпосередньому впливі вогню) дуже невелика:
- сталь завтовшки 3 мм витримує відкритий вогонь протягом 5 хв.;
- завтовшки 30 мм – 27 хв.
Тому щоб уникнути трагічних наслідків у разі пожежі, на поверхні металоконструкцій обов'язково необхідне вогнезахисне покриття. Щоб мати необхідний вогнезахист із мінімальними витратами, його необхідно ретельно розрахувати.
Проект розрахунку вогнезахисту має містити такі розділи:

- обґрунтування вибору засобів та способу вогнезахисту;
- Визначення товщини захисного шару для кожного типу конструкції;
- креслення конструктивного вогнезахисту.

Нанесення вогнезахисту
Проведені в межах цього проекту розрахунки дозволять здійснити обґрунтований вибір:

- матеріалів, структури, форми, розмірів, умов закладення;
- параметрів вогнезахисту кожної металоконструкції.

Товщину шару вогнезахисного покриття для кожної конкретної конструкції можна визначити двома способами: експериментальним та розрахунковим.
Експериментальний метод розрахунку товщини покриття полягає у наступному. На підставі ряду експериментальних оцінок межі вогнестійкості конструкцій з різною товщиною металу та різними товщинами покриттів збирається та систематизується інформація. Коли виникає потреба, на підставі цієї інформації для конкретного випадку будуються графіки залежності, за допомогою яких розраховуються параметри шару, що наноситься.
  Вогнетривким складом покриті всі поверхні
Наукою встановлено, що температура металевих конструкцій у процесі нагрівання залежить від наведеної товщини металу. Тому при виконанні проекту вогнезахисту насамперед повинні бути виконані розрахунки цього параметра.
Наведена товщина металу - це відношення площі поперечного перерізу металевої конструкції до периметру її поверхні, що обігрівається.
Площа поперечного перерізу береться із довідника сортаменту.
Периметр поверхні, що обігрівається - це сума довжин сторін конструкції, яка знаходиться у вільному доступі для впливу вогню і теплового потоку.
Наведена товщина металу визначається за такою формулою:
Fпр = S х 10 / P, де:
Fпр - наведена товщина металу;
S - площа поперечного перерізу, кв. см;
P — периметр, що обігрівається, в див.
  На підставі отриманих результатів, технічного завдання та вимог СНіП (наприклад, для громадських будівель та споруд СНіП 2.08.02 – 89) визначається необхідний ступінь вогнестійкості будівлі.
Далі, за СНиП 21-01-97 визначається необхідна для досягнення цього показника межа вогнестійкості елементів конструкції:
- маршів та майданчиків сходів;
- Колон;
- Елементів покриттів і т. д.
Вибирається тип (марка) покриття та за довідковими таблицями до обраного матеріалу визначається товщина та кількість шарів. За потреби (якщо складна конструкція поверхні) випускаються робочі креслення покриття.
вогнезахисні склади наносяться на поверхню поршневими фарбувальними агрегатами високого тиску безповітряного розпилення, при контролі товщини шару товщиномірами покриттів.