Огнестойкость металла в зависимости от толщины. Современные методы повышения предела огнестойкости металлических конструкций

УДК 624.014:699.812.2

О.Н. Гвоздева
Отряд государственной пожарной службы № 2 пожарная часть №20
К.М. Воронин
Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова

Предотвращение распространения пожара достигается мероприятиями, ограничивающими площадь, интенсивность и продолжительность горения.

К ним относятся:

• Конструктивные и объемно-планировочные решения, препятствующие распространению опасных факторов пожара по помещению, между помещениями, между группами помещений различной функциональной пожарной опасности, между этажами и секциями, между пожарными отсеками, а также между зданиями.
• Ограничение пожарной опасности строительных материалов, используемых в поверхностных слоях конструкций зданий, в том числе кровель, отделок и облицовок фасадов, помещений и путей эвакуации.

СНиП 21 – 01 – 97 «Пожарная безопасность зданий и сооружений» устанавливает пределы огнестойкости основных строительных конструкций и пределы распространения огня по ним. Предел огнестойкости конструкций характеризуется временем в часах от начала теплового воздействия до возникновения одного из признаков наступления предельного состояния по огнестойкости и устанавливается экспериментально по стандарту СЭВ 1000 – 78 или расчетным путем в соответствии с рекомендациями по расчету огнестойкости строительных конструкций.

Повышение огнестойкости конструкций осуществляется путем их огнезащиты. Как известно, металлы несгораемые материалы, поэтому предел распространения огня равен нулю. Необходимость огнезащиты металлических конструкций обусловлена высокой чувствительностью металлов к высоким температурам и воздействию огня. В результате высокой теплопроводности они быстро прогреваются и снижают свои механические качества, что ограничивает область применения незащищенных металлических конструкций по огнестойкости. Фактический предел огнестойкости стальных конструкций в зависимости от толщины элементов сечения и величины действующих напряжений колеблется от 0,1 до 0,4 ч.

Задача огнезащиты металлических конструкций заключается в создании на их поверхности теплоизолирующих экранов, выдерживающих воздействие высокой температуры «до 1100 о С» и непосредственное воздействие огня. Такие экраны замедляют прогревание металла и сохраняют конструкциям их функции при пожаре в течение заданного нормативного периода времени.

Из вновь возводимых промышленных зданий площадью порядка 50 млн. м 2 , 20 млн. м 2 приходятся на многоэтажные, 3,5 млн. м 2 составляют здания со смешанным каркасом и 1,9 млн. м 2 – здания с металлическим каркасом. В соответствии с противопожарными нормами в огнезащите нуждаются стальные конструкции многоэтажных промышленных зданий с размещаемыми в них производствами категории А, Б и В. Их площадь составляет около 2,5 млн. м 2 . Из них по 1,2 млн. м 2 защищается конструктивными способами и облегченными покрытиями, включая «вспучивающиеся краски». Около 0.7млн. м 2 поверхности конструкций защищают с применением автоматических систем пожаротушения.

Существуют следующие конструктивные способы огнезащиты: обетонирование, обкладка кирпичом и др. каменными изделиями; облицовка гипсокартонными, гипсоволокнистыми и асбестоцементными листами, цементно-стружечными и перлитофосфогелевыми плитами, облицовка стальными листами в сочетании с минеральной ватой и минераловатными плитами; оштукатуривание цементно-песчаной штукатуркой, легких штукатурок на основе пористых заполнителей; нанесение фосфатных составов и вспучивающихся красок.

При выборе оптимального способа огнезащиты необходимо учитывать показатели трудозатрат на производство работ. Самые дешевые способы облицовки имеют самые высокие трудозатраты при производстве работ «цементно-песчаные штукатурки», в то время как материалы, требующие наименьших трудозатрат, самые дорогие «вспучивающаяся краска ВПМ – 2»

Сравнительно часто в отечественном строительстве применяется такой вид огнезащиты стальных конструкций, как обетонирование. Такой вид защиты рационален в том случае, когда одновременно производится усиление колонн или стоек, например, при реконструкции зданий и сооружений.

Обкладку кирпичом применяют для защиты колонн и стоек. Ригели, балки и связи в этом случае рационально защищать другими способами, например, оштукатуривание или облицовка гипсокартонными листами.

Для огнезащиты несущих металлических конструкций производственных зданий широко применяют облицовку гипсокартонными листами. Листовые облицовочные материалы для огнезащиты металлических конструкций получили широкое распространение за рубежом. Выпускают листы на основе гипса, цемента, вермикулита, перлита, минеральных волокон и др. материалов.

В России и за рубежом для повышения огнестойкости конструкций широко применяют огнезащитные цементно-песчаные и цементно-перлитовые штукатурки, облегченные покрытия и вспучивающиеся краски.

Огнезащитное действие цементно-песчаной штукатурки основано на большой удельной теплоемкости материала (средняя плотность – 1800 кг/м 2) В случае пожара тепло тратится на удаление из цементного камня физически и химически связанной воды, что предотвращает быстрый прогрев защищаемой поверхности. При толщине штукатурного слоя от 25 до 60мм предел огнестойкости металлических элементов и конструкций составляет от 0,75 до 2,5ч. Использование цементно-песчаной штукатурки обусловлено такими достоинствами, как недефицитность материалов для приготовления состава, простота его изготовления, возможность механизированного нанесения, обеспечение практически любого предела огнестойкости защищаемой конструкции. Но этот вид огнезащиты имеет ряд недостатков, ограничивающих широкое применение: большая трудоемкость работ по нанесению покрытия из-за необходимости армирования стальной сеткой, большие нагрузки на фундаменты зданий и сооружений в результате утяжеления каркаса; необходимость применения антикоррозийных составов; невозможность применения для защиты конструкций сложной конфигурации.

Нанесение огнезащитных легких штукатурок на основе пористых заполнителей: вспученных перлита, вермикулита и других делают их пригодными за счет высокой температуры плавления заполнителей (около 1400 0 С). В случае пожара они не выделяют дыма, токсичных газов, а только – водяной пар. В качестве вяжущих для приготовления огнезащитных штукатурок используют обычный и быстротвердеющий портландцементы, гипс, известь, жидкое стекло. Наиболее эффективными считаются составы на быстротвердеющем портландцементе, т.к. другие используют для штукатурок в помещениях с относительной влажностью не более 60%. Для улучшения физико-механических, технологических свойств, повышения огнезащитной способности в состав легких штукатурок вводят минеральное волокно (асбест, стекловолокно и стекловату, шлаковолокно, шлаковату, базальтовое волокно и др.)

За последние 30 лет создано множество огнезащитных составов на основе легких заполнителей, чаще всего их применяют в виде цементно-перлитовых, гипсо-вермикулитовых штукатурок. Легкие огнезащитные штукатурки более эффективны по сравнению с цементно-песчаными штукатурками, так как, обеспечивая одинаковый предел огнестойкости конструкции, они в меньшей степени утяжеляют каркас зданий и сооружений, не увеличивая нагрузок на фундамент. Они получили широкое применение за рубежом в таких странах, как Болгария — Sofsterm (вспученный перлит, диатомит, цемент и жидкое стекло); Австрия – Mandoseal и Mandolite; США – цементно-вермикулитовый состав (при толщине слоя штукатурки 65мм повышает огнестойкость стальных конструкций до 4 часов) и т.д.

В то же время этому виду покрытий свойственны недостатки. Материал покрытий мягкий и имеет небольшую прочность, легко отслаивается от поверхности металла. Такие покрытия нельзя использовать для открытых поверхностей, не запущенных от механических повреждений, а также для поверхностей, которые подвергаются атмосферному воздействию. Огнезащитные штукатурки не являются антикоррозионными, поэтому перед их нанесением металлические поверхности должны быть защищены антикоррозионным составом, они не отвечают эстетическим требованиям и не могут быть нанесены на конструкции сложной конфигурации. Необходимость применения арматурных сеток, наличие асбеста в подавляющем большинстве составов увеличивает трудоемкость и ухудшает условия труда.

Большой интерес представляют огнезащитные фосфатные составы. Фосфаты используются как связующие и отвердители жидкого стекла. В настоящее время наиболее распространенными являются составы ОФП-МВ и ОПВ-180. В ОФП-МВ асбест заменен гранулированной минеральной ватой. Состав приготовляют на строительной площадке путем смешивания различных компонентов, входящих в рецептуру: сухой смеси заводского изготовления и жидкого стекла.

При взаимодействии жидкого стекла и нефелинового антипирена образуется большое количество стеклообразующих комплексных соединений сложного состава и ряд фосфатных солей: фосфатов аммония, алюминия и железа. Волокнистый наполнитель не только механически армирует покрытие, повышая его прочность, но и участвует в процессах твердения. Он адсорбирует воду, ускоряя процессы коагуляции жидкого стекла, способствует его кристаллизации.

Огнезащитное фосфатное покрытие ОФП-МВ имеет высокую адгезию к поверхности стальных конструкций, очищенной от продуктов коррозии, окалины, жировых пятен, а также к поверхности, огрунтованной железным суриком или составом на основе глифталевых лаков.

В случае пожара при нагревании поверхности до 200-300 о С разупрочнения покрытия не происходит, а наблюдается даже некоторое повышение его прочности. После нагревания до 600 о С прочность покрытия несколько падает, однако трещин или разрушений покрытия не наблюдается. Морозоустойчив, применение фосфатного покрытия вместо бетонирования значительно снижает трудовые затраты, экономит дефицитные материалы (цемент, сталь, древесину).

Эффективным огнезащитным материалом являются вспучивающиеся краски – композиционные материалы, включающие полимерное связующее и наполнители (антипирены, газообразователи, жаростойкие вещества и стабилизаторы вспененного угольного слоя).

При вспучивании и одновременном обугливании покрытия происходит образование мелкоячеистого слоя, обладающего низкой теплопроводностью, в результате чего резко замедляется прогрев металлических конструкций до критических температур, определяющих наступление предела огнестойкости.

В условиях эксплуатации огнезащитные вспучивающиеся покрытия в сочетании с покровными эмалями могут выполнять функции отделочных материалов. Вспучивающиеся краски позволяют отказаться от значительного количества ручных работ в строительстве, сэкономить дефицитные материалы – сталь, цемент, песок, известь; осуществлять работы по огнезащите механизированными средствами; сократить удельный расход материалов для огнезащиты более чем в 10 раз. Указанные преимущества огнезащитных вспучивающихся красок дают возможность проектировать здания с облегченным фундаментом, что позволяет уменьшить сроки строительства и создает значительный экономический эффект. В нашей стране наиболее распространенными вспучивающими красками являются такие, как ВПМ-2 и ВПМ-3. Среди зарубежных аналогов наиболее приемлемы Vnitenm (Австрия), Bydatern (Венгрия), Pezenoks (Германия), Fireflex (Финляндия) и другие.

Выбор конкретного типа огнезащитного состава или материала, установление области применения производят технико-экономическим расчетом с учетом: требуемого предела огнестойкости конструкций; типа защищаемой конструкции и ориентации защищаемых поверхностей в пространстве; вида нагрузки, действующей на конструкцию; температурно-влажностных условий эксплуатации и производства монтажных работ; степени агрессивности окружающей среды по отношению к огнезащите и материалу конструкции, а также степени агрессивности материала огнезащиты по отношению к стали; увеличения нагрузки на конструкцию за счет массы огнезащиты; периода монтажа огнезащиты; эстетических требований к конструкции; технико-экономических показателей и др.

Необходимо также учитывать долговечность материалов при определенных условиях эксплуатации, возможность восстановления огнезащитных облицовок и другие специфические особенности конкретного объекта.

На основании анализа и сопоставления эффективности отечественных и зарубежных строительных огнезащитных материалов и составов можно сделать следующие выводы.

1. Огнезащита металлических конструкций направлена на повышение предела огнестойкости, который в соответствии со СНиП 21.-01.-97 должен составлять от 0,25 до 3ч. Металлические конструкции для обеспечения предела огнестойкости от 0,25 до 3 часов нуждаются в огнезащите. Ежегодный требуемый объем огнезащитных работ составляет до 2,5 млн. м 3 .
2. Отечественные огнезащитные материалы и составы для металлических конструкций существенно уступают применяемым в зарубежном строительстве.
   Не полностью удовлетворяется потребность строительства в эффективных материалах и составах, обеспечивающих индустриализацию работ по огнезащите металлических конструкций.
3. Необходимо расширить номенклатуру отечественных огнезащитных облицовочных материалов, понизить их стоимость и исключить дефицитные материалы, заменив их наиболее простыми материалами в изготовлении, дающими возможность механизированного нанесения, особенно на конструкции сложной конфигурации и в труднодоступных местах, отвечающих эстетическим требованиям, исключающих выделение токсичных компонентов.
4. При разработке новых конструктивных решений огнезащиты металлических конструкций целесообразно использовать листовые и рулонные материалы, обладающие способностью вспучиваться при нагревании и тем самым образовывать теплозащитные экраны по поверхности конструкции.
5. Необходимо создать огнезащитные материалы и составы для металлических конструкций, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности и на открытом воздухе.
6. При разработке новых составов уделять особое внимание на адгезионные свойства составов, прочность и долговечность самих составов, на материалы, которые уменьшают теплопроводность металлических конструкций за счет теплоотдачи.
7. В целях расширения объема работ по огнезащите металлических конструкций необходимо расширить научно-технические разработки по созданию эффективных огнезащитных составов, обладающих надежностью, долговечностью и технологичностью.

Еще на сайте:

ВЫСОКОДИСПЕРСНЫЕ НАПОЛНЕННЫЕ ЦЕМЕНТЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЛИНИСТЫХ ПЕСКОВ

ESEM-FEG: EINIGE APPLIKATIONSBEISPIELE IN DER BAUSTOFF-FORSCHUNG

ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА ОБЖИГА НА СВОЙСТВА ДОЛОМИТОВОГО ЦЕМЕНТА

Цель: Знать классификацию и виды металлических конструкций, их поведение в условиях пожара. Уметь рассчитывать фактический предел огнестойкости металлических конструкций и элементов, работающих на растяжение, сжатие и изгиб. Иметь представление о способах огнезащиты металлических конструкций.

Контрольные вопросы:

Классификация и виды металлических конструкций.

Основы проектирования металлических конструкций.

Поведение в условиях пожара несущих и ограждающих металлических конструкций. Приведенная толщина металла. Зависимость предела огнестойкости от приведенной толщины металла.

Способы огнезащиты металлических конструкций.

Расчет фактического предела огнестойкости металлических конструкций. Методика расчета по критической температуре. Допущения в расчете огнестойкости металлических конструкций. Степень напряженного состояния металлических конструкций (растянутых, сжатых, изгибаемых).

Определение критической температуры металлических конструкций. Изменение температуры нагрева незащищенных стальных пластин различной толщины от времени нагрева при стандартном температурном режиме.

Общая последовательность расчета огнестойкости металлических конструкций по прочности.

Расчет огнестойкости растянутых, сжатых, изгибаемых металлических конструкций по прочности.

Расчет центрально-сжатых металлических конструкций по потере устойчивости.

Основная:

Дополнительная:

Краткие теоретические основы лекционного материала и примеры расчета огнестойкости металлических конструкций, рассматриваемых на практических занятиях

В современной практике строительства металлические конструкции (стальные и алюминиевые) находят широкое применение. Это объясняется тем, что металл благодаря высокой прочности, надежности работы при различных видах напряженного состояния и долговечности, способен принимать значительные нагрузки. Металлические конструкции (МК) являются индустриальными, т.е. изготавливаются на специализированных заводах.

Высокая прочность, надежность, индустриальность в изготовлении МК с учетом принципов унификации и стандартизации их элементов, транспортабельность, небольшие сроки при монтаже, относительная легкость, по сравнению с железобетонными конструкциями, определяют экономичность использования МК в строительстве.

Кроме того, МК удобны в эксплуатации, так как легко ремонтируются и могут быть усилены во время проведения реконструкционных работ в случае увеличения эксплуатационных нагрузок. Однако МК обладают такими недостатками, как: подверженность действию коррозии (кроме алюминиевых сплавов), что требует специальных мероприятий по защите, а также малой огнестойкостью при температурах выше 400°С для сталей и выше 200°С для алюминиевых сплавов.

Наиболее широко в строительстве применяются стальные конструкции:

одноэтажных, одно- или многопролетных производственных зданий;

несущих каркасов высотных зданий;

большепролетных зданий общественного назначения (выставочные павильоны, спортивные и зрелищные сооружения);

зданий специального назначения (ангары, эллинги 1 , авиасборочные цехи);

сооружений башенного и мачтового типа (башни и мачты для радиосвязи и телевидения, буровые и нефтяные вышки и т.д.);

пролетных строений мостов, путепроводов 2 и эстакад 3 ;

промышленных сооружений из листовых конструкций (резервуары 4 , газгольдеры 5 , доменные печи 6 и т.д.).

Хотя металлические (стальные) конструкции выполнены из несгораемого материала, фактический предел их огнестойкости в среднем составляет 15 мин. Это объясняется достаточно быстрым снижением прочностных и деформативных характеристик металла при повышенных температурах во время пожара, что обусловлено его высокой теплопроводностью.

Наступление предела огнестойкости металлических конструкций наступает в результате потери прочности или за счет потери устойчивости самих конструкций или их элементов. Тому и другому случаю соответствует определенная температура нагрева металла, называемая критической 7 (t cr ).

Расчет огнестойкости включает в себя теплотехнический и статический расчет. Статическая задача имеет целью определение несущей способности конструкции с учетом изменения свойств металла при высоких температурах, т.е. определения критической температуры в момент наступления предельного состояния при пожаре. В результате решения теплотехнической задачи определяется время нагрева металла от начала действия пожара до достижения в расчетном сечении критической температуры, т.е. решение этой задачи позволяет определить фактический предел огнестойкости конструкции.

Как известно, металл обладает высоким коэффициентом температуропроводности, за счет чего выравнивание температуры по его толщине происходит весьма быстро. Это дает возможность принять равномерное распределение температуры.

Формула (1.1)

является алгоритмом для расчета температуры незащищенных металлических конструкций. Как следует из уравнения, температура конструкции в процессе нагрева зависит от приведенной толщины металла (обозн. t red).

Приведенная толщина металла дает возможность привести стержни, имеющие любую конфигурацию поперечного сечения, к простой пластине. Значение приведенной толщины металла в общем случае определяется как отношение поперечного сечения к обогреваемому его периметру, т.е.

, (1.2)

A

U – обогреваемый периметр, м.

Обогреваемый периметр определяется:

для двутавра и швеллера при обогреве с четырех сторон (рис.1.1)

(1.3)

h – высота сечения элемента, м;

b f – ширина сечения (полки), м;

t w – толщина стенки, м.

для уголка (рис.1.2)

(1.4)

b f – ширина сечения (полки), м.

, (1.5)

где d и t – соответственно наружный диаметр и толщина стенки трубы по сортаменту (рис. 1.3).

Рисунок 1.3– Схема сечения трубы

Используя алгоритм расчета, можно составить номограмму (рис.1.4), с помощью которой можно определить температуру незащищенных конструкций любых сечений, т.е. решить теплотехническую задачу.

Рисунок 1.4 – График зависимости температуры незащищенных металлических пластин от времени прогрева и приведенной толщины металла

Металл обладает высокой теплопроводностью, что позволяет, расчет огнестойкости стальных конструкций выполнять не повремени снижения несущей способности до величины от нормативной нагрузки, а по времени прогрева конструкции до критической температуры (t cr ).

Расчет огнестойкости металлических конструкций целесообразно начинать со статической части, т.е. с определения критических температур. Далее производят теплотехнический расчет, в результате чего находят время нагрева конструкции до критической температуры, т.е. ее предел огнестойкости.

Критическую температуру определяют по экспериментальным данным о снижении коэффициента изменения предела текучести (обознач.  t или

). Данный коэффициент определяется в зависимости от напряженного состояния. Так, например, для элементов работающих на растяжение:

, (1.6)

N n – усилие от нормативной нагрузки, кН;

A – площадь поперечного сечения, м 2 ;

R yn – нормативное сопротивление стали по пределу текучести, МПа .

, (1.7)

где N – усилие от расчетной нагрузки, кН;

 f = 1,2 – коэффициент надежности по нагрузке .

Определив  t , можно определить t cr либо графически (рис. 1.5), либо аналитически (формула 1.8).

Аналитически:

, если  t  0,6

если  t  0,6

Графически:

Рисунок 1.5 – Изменение коэффициента предела текучести от температуры

Определив критическую температуру, при которой наступает потеря несущей способности конструкции, а также, зная приведенную толщину металла, по номограмме (рис.1.4), можно вычислить время нагрева до наступления критической температуры, т.е. фактический предел огнестойкости.

26.02.2014

Оценка эффективности

Алексей Абрамов

Руководитель испытательного центра „ТЕСТ”

www : firetest . com . ua

Во время строительства зданий и сооружений широко применяются стальные строительные несущие конструкции. Наряду со значительными конструктивными преимуществами они имеют существенный недостаток - низкую огнестойкость.

Стальные несущие строительные конструкции имеют существенный недостаток – низкую огнестойкость.

Во время пожара с повышением температуры прочностные характеристики стали значительно снижаются. На рис. 1 показаны зависимости коэффициентов снижения прочности стали от температуры, которые приведены в ДСТУ-Н Б EN 1993-1-2:2010 “Еврокод 3. Проектирование стальных конструкций. Часть 1-2. Общие положения. Расчет конструкций на огнестойкость”. Практически при нагреве больше 500 – 600 0 С стальные конструкции теряют несущую способность, а при температуре 700 – 800 0С обрушаются под собственным весом. Поэтому в качестве основной критической (проектной) температуры согласно ДСТУ Б В.1.1-4 -98* “Защита от пожара.

Строительные конструкции. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования” принята температура 500 0С. В настоящее время ДСТУ-Н Б EN 1993-1-2:2010 вводит дифференциальный подход к определению критической температуры. Так, самонесущие и недогруженные стальные конструкции могут сохранять свою несущую способность и при температуре 650 0С, несущая способность нормально нагруженных конструкций (с нормативным коэффициентом запаса) сохраняется при 500 – 550 0С, перегруженные конструкции могут терять несущую способность уже при 400 – 450 0С. Например, в Англии приняты две критические температуры 550 0С и 620 0С.

Огнестойкость стальной незащищенной конструкции зависит от её приведенной толщины (см. рис. 2). Приведенная толщина определяется отношением площади поперечного сечения конструкции к её обогреваемому периметру. Реально в строительстве применяются конструкции с приведенной толщиной не более 24 мм.

Стальные несущие конструкции по огнестойкости делятся на классы R 15, R 30, R 45, R 60, R 90, R 120, R 150, R 180. Буквенное обозначение R означает предельное состояние конструкции по потере несущей способности. Цифровое обозначение – предел огнестойкости, который определяется в минутах от начала огневого воздействия по стандартному температурному режиму до достижения критической температуры металла (для стальных конструкций). Общие требования к классам (пределам) огнестойкости строительных конструкций приведены в ДБН В.1.1-7-2002* “Защита от пожара. Пожарная безопасность объектов строительства”. Для стальных конструкций эти требования можно представить в виде таблицы 1. Из нее видно, что в зданиях и сооружениях І – ІІІ степени огнестойкости применение незащищенных стальных конструкций невозможно. В случае, когда нормативный класс огнестойкости конструкции составляет R 15 (R Е 15, R Е I 15), допускается применение незащищенных стальных конструкций не зависимо от их фактического предела огнестойкости (п. 4.40 ДБН В.1.1-7-2002*). Поэтому в зданиях степени огнестойкости ІІІа, І V а и V , стальные конструкции могут применяться без огнезащиты, за исключением случаев обусловленных в нормативной документации.

Основными подходами для обеспечения нормативного предела огнестойкости стальных строительных конструкций (колонн, балок, ферм, косоуров и т.п.) являются:

• нанесение на их поверхность огнезащитных покрытий и облицовок;
• применение огнезащитных экранов и подвесных потолков;
• заполнение пустотелых стальных конструкций теплоносителем, например, водой.

Вариант с заполнением пустотелых стальных конструкций теплоносителем предусматривает обеспечение прокачки носителя в случае пожара. Этот вариант дорогостоящий и широко не применяется.

В качестве облицовок применяют различные плитные, минераловатные материалы и огнезащитные штукатурки. На рис. 3 приведены графики повышения температуры стальных колон двутаврового сечения профиля № 20, которые облицованы гипсокартоном, минераловатными плитами и огнезащитной штукатуркой. При применении в качестве огнезащитной облицовки материалов, которые содержат естественную и химически связанную воду (гипсокартон, штукатурки), стальная конструкция за несколько минут нагревается до температуры около 100 0С. Потом температура находится на этом уровне определенное время и после удаления влаги из облицовочного материала начинает повышаться.

Огнестойкость стальной конструкции, которая облицована минераловатными плитами, может быть повышена не только увеличением защитного слоя, но и за счет применения плит с большей плотностью. Нагрев конструкций с такой облицовкой идет монотонно.

Как видно из выше сказанного, за счет применения облицовки можно получить значительные пределы огнестойкости стальных конструкций до 180 минут и выше.

За счет облицовки можно получить значительные пределы огнестойкости стальных конструкций до 180 минут и выше.

Огнезащитные облицовки применяются, когда необходимо получить предел огнестойкости более 60 мин (см. таблицу 1). Оценка эффективности огнезащитных облицовок проводится в основном в соответствии с ДСТУ Б В.1.1-13:2007 “Защита от пожара. Балки. Метод испытаний на огнестойкость” (EN 1365-3:1999, NEQ ) и ДСТУ Б В.1.1-14:2007 “Защита от пожара. Колонны. Метод испытаний на огнестойкость” (EN 1365-4:1999, NEQ ). К сожалению, эти стандарты не всегда позволяют по полученным во время испытаний результатам строить интерполяционные зависимости для разных значений приведенных толщин металла, толщин облицовки и критических температур. Для защиты несущих стальных конструкций междуэтажных перекрытий могут применяться огнезащитные подвесные потолки, которые изготавливаются с помощью плитных материалов. Фактически подвесные потолки это – горизонтальная подвесная облицовка. Испытания огнезащитных подвесных потолков проводятся в соответствии с ДСТУ Б В.1.1-9:2003 “Защита от пожара. Подвесные потолки. Метод испытаний на огнестойкость” (EN 1364-2:1999, NEQ ).

Несмотря на то, что за счет огнезащитных облицовок можно существенно повысить огнестойкость металлических конструкций, применение их не всегда возможно и целесообразно из-за их высокой стоимости и массы, например, для огнезащиты конструкций с небольшим пределом огнестойкости.

Для огнезащиты стальных несущих конструкций, нормируемый предел огнестойкости которых не превышает 60 минут, рационально применение огнезащитных красок (покрытий), которые терморасширяются (вспучиваются).

Для огнезащиты стальных несущих конструкций, нормируемый предел огнестойкости которых не превышает 60 минут, рационально применение огнезащитных красок (покрытий), которые терморасширяются (вспучиваются) .

Принцип действия таких покрытий заключается в том, что при воздействии температуры покрытие начинает вспучиваться, послойно двигаясь навстречу огню. Толщина слоя вспученного материала увеличивается в несколько раз, тем самым защищая конструкцию от нагрева (см. фото 1). Вспучивание происходит с поглощением тепла (присутствуют эндоэффекты).

Условно процесс действия огнезащитного вспучивающегося покрытия (краски) во время пожара можно поделить на три этапа (см. рис. 4, 5):

На первом этапе нагрев металла происходит монотонно до температуры 200±50 0С. Покрытие в плотном состоянии работает как изолятор;

На втором этапе, который продолжается до температуры металла ~ 400 0С, происходит вспучивание покрытия. В процессе вспучивания происходит его термическое разложение с поглощением тепла, а наружные более нагретые слои вспученного слоя “отодвигаются” от металла;

На третьем этапе вспученный слой покрытия работает как изолятор. Нагрев металла ускоряется.

Огнезащитные вспучивающиеся материалы, как правило, наносятся слоем до 2 мм (кроме материалов с небольшим коэффициентом вспучивания). На рис. 6 приведены характерные графики зависимостей огнестойкости стальной конструкции с вспучивающимся огнезащитным покрытием от его толщины при разных приведенных толщинах стали. Как видно из графиков, для вспучивающегося покрытия существует критическая толщина нанесения, которая зависит от вида покрытия и приведенной толщины металла, на который оно нанесено. При нанесении слоя большей толщины, чем критическая, огнестойкость уменьшается. Это обусловливается тем, что при больших толщинах нанесения вспученный слой начинает обрушаться за счет гравитационных сил и конвективных потоков, которые возникают во время пожара. То есть, механическое увеличение толщины вспучивающегося огнезащитного покрытия может не привести к повышению предела огнестойкости конструкции.

Необоснованное увеличение толщины вспучивающегося огнезащитного покрытия может не привести к повышению предела огнестойкости конструкции.

Значение критической толщины нанесения тем меньше, чем меньше приведенная толщина конструкции. Поэтому огнезащитные вспучивающиеся краски не применяются для защиты стальных не несущих конструкций, которые выполняются из листового металла, например, воздуховодов. Воздуховоды имеют малую приведенную толщину металла (0,5 – 0,9 мм) и при огневом воздейс т в и и, независимо от типа и толщины краски, быстро прогреваются и теряют устойчивость (разрушаются). Для их защиты применяют минераловатные или плитные материалы.

Огнезащитные вспучивающиеся краски (покрытия) не применяются для защиты стальных воздуховодов

Огнестойкость конструкций с огнезащитным вспучивающимся покрытием больше зависит от приведенной толщины конструкции, в отличие от конструкций с огнезащитной облицовкой. Это связано с тем, что теплоемкость металла конструкции и облицовки величины одного порядка, а теплоемкость вспучивающегося тонкого покрытия существенно меньше.

К недостаткам вспучивающихся покрытий (красок) можно отнести их ограниченный срок хранения в жидком (пастообразном) состоянии (не больше 1 года). При больших сроках хранения они теряют свои свойства. Вместе с тем нанесенные на стальные конструкции вспучивающиеся покрытия в затвердевшем состоянии могут сохранять свои огнезащитные свойства десятки лет.

Оценка огнезащитной способности вспучивающихся покрытий, как и облицовок, может быть проведена в соответствии с ДСТУ Б В.1.117:2007 “Защита от пожара. Огнезащитные покрытия для строительных металлических конструкций. Метод определения огнезащитной способности” (ENV 13381-4:2002, NEQ ). Этот стандарт предполагает испытание не менее 15 образцов стальных конструкций разной приведенной толщины (колонны высотой 1 и 2 м, балки длинной 1 м и балки длинной ~ 4,7 м под нагрузкой). Несмотря на определенную сложность этого метода, он позволяет методами регрессионного анализа получить математическую зависимость предела огнестойкости конструкции для разных значений её приведенной толщины, толщины покрытия и критических температур. На рис. 7 приведено графическое представление фрагмента такой зависимости для конкретного вспучивающегося покрытия при критической температуре 500 0 С.

Создание огнезащитных вспучивающихся покрытий требует фундаментальных знаний в области пожарной безопасности (пожароопасных свойствах веществ и материалов, поведения строительных конструкций при высокотемпературном воздействии), химии полимерных материалов, теплофизики и особенностей тепломассопереноса материалов в условиях повышенных температур.

К сожалению, к нам иногда приносят протоколы испытаний образцов металлических конструкций, покрытых вспучивающимися материалами, которые получены в некоторых российских испытательных лабораториях. Приведенные в них графики нагрева стали противоречат физическому смыслу поведения вспучивающихся покрытий. Такие протоколы в Украине не рассматриваются.

Комплекс испытаний огнезащитных покрытий, проведенных в испытательном центре ТЕСТ (г. Бровары, Киевская обл.) позволяет сделать некоторые заключения:

– лучшие образцы огнезащитных вспучивающихся покрытий, которые производятся в мире (Украине, России, Европе) по эффективности находятся на одном уровне. Некоторое улучшение эффективности (уменьшение толщины нанесения) для класса огнестойкости R 30 приводит к ухудшению эффективности этого покрытия для класса огнестойкости R 60 и наоборот;

– возможно создание вспучивающегося покрытия, которое обеспечит класс огнестойкости R 30 для конструкции приведенной толщиной 3,4 мм (характерный профиль, двутавр № 20) при толщине нанесения 0,4 мм. Это покрытие должно иметь большой коэффициент вспучивания (70-80 см3/г, см. ниже). Однако такое покрытие не позволит получить класс огнестойкости R 45 и R 60 даже для конструкций с приведенной толщиной 6-7 мм;

– возможно создание вспучивающегося покрытия (с низким коэффициентом вспучивания), которое обеспечит класс огнестойкости R 120 для приведенных толщин металла не менее 7 мм и толщине покрытия 4-6 мм;

– для минимизации расхода огнезащитного материала целесообразно иметь в распоряжении два типа вспучивающихся покрытий, одно из которых предназначено для обеспечения классов огнестойкости R 30 и R 45, а другое для классов огнестойкости R 60 и выше.

Контроль качества огнезащитного вспучивающегося покрытия, которое нанесено на объекте, возможно осуществить в соответствии с ДСТУ-Н-П В.1.1-29:2010 “Защита от пожара. Огнезащитная обработка строительных конструкций. Общие требования и методы контроля” путем определения объемного коэффициента вспучивания этого покрытия снятого с конструкций в количестве нескольких грамм. При этом значение объемного коэффициента вспучивания не должно быть ниже 80 % значения полученного во время проведения сертификационных испытаний этого покрытия.

Объемный коэффициент вспучивания (см3/г) – удельный объем огнезащитного материала во вспученном состоянии, который образовался из навески материала определенной массы под воздействием повышенной температуры 340 0С на протяжении 20 мин.

Оценку срока сохраняемости свойств нанесенного на стальную конструкцию вспучивающегося покрытия можно провести путем испытаний по ДСТУ-Н-П В.1.1-29:2010. Для этого во время испытаний при стандартном температурном режиме определяют время достижения критической температуры 500 0С одинаковых стальных пластин, на одни из которых нанесено свежее огнезащитное покрытие, а другие подвержены ускоренным климатическим испытаниям, которые имитируют срок службы покрытия. Значение времени достижения критической температуры на пластинах, которые не подвергались климатическому воздействию, не должно превышать более чем на 10 % значения времени полученному на пластинах, которые были подвергнуты климатическому воздействию.