Как обеспечить огнестойкость стальных конструкций?

У стальных конструкций есть критический недостаток: плохая огнестойкость. Чтобы стальные конструкции сохраняли свою прочность и жесткость в течение длительного времени во время пожаров, обеспечивая безопасность жизни и имущества, в практических инженерных проектах часто реализуются многочисленные меры противопожарной защиты.

В этой статье будут подробно описаны различные меры противопожарной защиты, основанные на их основных принципах, и сравнены их преимущества и недостатки.

Меры противопожарной защиты стальных конструкций по принципу делятся на две категории: методы теплоизоляции и методы водяного охлаждения. Их общая цель — гарантировать, что температура компонентов не превысит свою критическую температуру в течение определенного периода времени. Разница заключается в подходе: методы теплоизоляции предотвращают передачу тепла к компонентам, а методы водяного охлаждения позволяют теплу достигать компонентов и затем рассеивать его для достижения цели.

Рейтинг огнестойкости стальной конструкции относится к продолжительности ее сопротивления огню во время стандартного испытания на огнестойкость, измеряемому с момента воздействия огня до момента потери устойчивости, целостности или теплоизоляции.

Важно отметить, что хотя сама сталь не воспламеняется и не горит, на ее свойства существенно влияет температура. При 250 градусах ударная вязкость стали снижается; и за пределами 300 градусов его предел текучести и предел прочности значительно снижаются. При реальных пожарах, в условиях постоянного нагружения, критическая температура, при которой стальные конструкции теряют устойчивость статического равновесия, составляет около 500 градусов, тогда как типичные температуры пожара достигают 800–1000 градусов. Следовательно, при высоких температурах пожара стальные конструкции быстро подвергаются пластической деформации, что приводит к локальному разрушению и, в конечном итоге, к разрушению и разрушению всей конструкции.

Стальные конструкции должны включать меры противопожарной защиты для обеспечения достаточных показателей огнестойкости. Это предотвращает быстрый нагрев стальных компонентов до критических температур во время пожара, позволяет избежать чрезмерной деформации, ведущей к разрушению конструкции, и тем самым экономит драгоценное время для тушения пожара и безопасной эвакуации, сводя к минимуму потери,-связанные с пожаром.

Методы теплового барьера
Методы теплового барьера, которые классифицируются как огнезащитные покрытия и герметизирующие материалы, включают методы распыления и герметизации. Метод распыления защищает компоненты путем нанесения или распыления огнезащитных покрытий. Метод инкапсуляции можно разделить на полую инкапсуляцию и твердую инкапсуляцию.

Метод распыления

Обычно огнезащитные покрытия наносятся или распыляются на стальные поверхности для образования огнестойкого теплоизоляционного слоя, повышающего огнестойкость стальных конструкций. Этот метод предлагает простую конструкцию, легкий вес, увеличенный срок огнестойкости и не ограничен геометрической формой стальных компонентов. Он обеспечивает хорошую экономическую-эффективность и практичность, что делает его широко применяемым. Огнезащитные покрытия для стальных конструкций бывают различных типов, которые в целом делятся на два класса: тонкопленочные-покрытия класса B (т. е. вспучивающиеся огнезащитные покрытия для стальных конструкций) и толсто-пленочные покрытия класса H.

Огнезащитные покрытия класса B обычно имеют толщину 2-7 мм. Их базовым материалом является органическая смола, обеспечивающая некоторый декоративный эффект, расширяясь и утолщаясь при высоких температурах. Их огнестойкость может достигать от 0,5 до 1,5 часов. Огнезащитные покрытия из тонкопленочной стальной конструкции имеют тонкое покрытие, легкий вес и хорошую виброустойчивость. Для открытых стальных конструкций внутри помещений и легких стальных конструкций крыш, для которых указан предел огнестойкости 1,5 часа или менее, рекомендуется использовать тонкопленочные огнезащитные покрытия для стальных конструкций. Огнезащитные покрытия типа H- обычно имеют толщину покрытия от 8 до 50 мм и имеют зернистую поверхность. В основном состоящие из неорганических теплоизоляционных материалов, они обладают низкой плотностью и теплопроводностью. Рейтинг огнестойкости может достигать от 0,5 до 3,0 часов. Толстопленочные конструкционные огнезащитные покрытия, как правило, негорючие, устойчивы к старению и обеспечивают надежную долговечность. Для скрытых внутренних стальных конструкций, высотных-цельно-стальных конструкций и стальных конструкций многоэтажных промышленных предприятий, требующих огнестойкости 1,5 часа или выше, следует выбирать толстопленочные конструкционные огнезащитные покрытия.

Метод инкапсуляции

1) Метод полой герметизации: обычно используются огнеупорные плиты или огнеупорный кирпич для изоляции стальных компонентов по их внешнему периметру. В большинстве стальных конструкций отечественных нефтехимических заводов для защиты стальных компонентов используется кладка из огнеупорного кирпича. Этот метод обеспечивает высокую прочность и ударопрочность, но имеет недостатки, включая значительные требования к пространству и сложную конструкцию. Использование легких огнеупорных панелей, таких как цементные плиты, армированные фиброй-, гипсовые плиты или вермикулитовые плиты, в качестве огнестойких наружных слоев. Метод коробчатого-корпуса для крупных стальных компонентов предлагает преимущества, включая гладкие и плоские поверхности, низкую стоимость, минимальные потери материала, отсутствие загрязнения окружающей среды и устойчивость к старению, что открывает многообещающие перспективы для широкого внедрения.

2) Метод сплошного ограждения: обычно включает в себя облицовку стальных компонентов путем заливки бетоном для их полной герметизации. Этот метод был использован для стальных колонн во Всемирном финансовом центре Пудун в Шанхае. К его преимуществам относятся высокая прочность и ударопрочность, а к недостаткам — значительная площадь, занимаемая бетонным защитным слоем, и относительно сложная конструкция, особенно на стальных балках и раскосах.

Методы водяного охлаждения

К методам водяного охлаждения относятся водяное распыление и водяное-охлаждение.

Водяное охлаждение
Охлаждение распылением воды предполагает установку автоматических или ручных спринклерных систем над стальной конструкцией. Во время пожара при срабатывании спринклеров на стальной поверхности образуется сплошная водяная пленка. Когда пламя достигает стальной поверхности, испаряющаяся вода поглощает тепло, задерживая достижение конструкцией предельной температуры. Этот метод был реализован в здании гражданского строительства Университета Тунцзи.

Водяное-охлаждение

Водяное-охлаждение предполагает заполнение полых стальных элементов водой. Циркулирующая вода внутри стальной конструкции поглощает тепло, выделяемое самой сталью, позволяя конструкции поддерживать более низкие температуры во время пожара и предотвращать потерю несущей способности-из-за чрезмерного нагрева. Для предотвращения коррозии и замерзания вода должна содержать ингибиторы ржавчины и антифризы. Этот метод был использован для стальных колонн 64-этажного здания US Steel Building в Питтсбурге, США.

В методах теплоизоляции используются тепло-блокирующие материалы, чтобы замедлить передачу тепла к стальным конструктивным элементам. В целом, изоляция обеспечивает большую экономическую целесообразность и практичность, что делает ее широко применяемой в реальных инженерных приложениях. Хотя водяное охлаждение является эффективной мерой противопожарной защиты, его особые требования к конструкции и более высокая стоимость ограничивают его широкое применение в инженерной практике.

Поскольку теплоизоляция широко используется в противопожарной защите стальных конструкций, в следующем разделе основное внимание уделяется сравнению преимуществ и недостатков методов нанесения распылением и герметизации в рамках мер по теплоизоляции.

Огнестойкость

По огнестойкости метод капсулирования превосходит метод нанесения распылением. Герметизирующие материалы, такие как бетон и огнеупорный кирпич, обладают превосходной огнестойкостью по сравнению с обычными огнезащитными покрытиями. Кроме того, огнестойкость новых огнезащитных панелей превосходит огнезащитные покрытия. Их предел огнестойкости значительно выше, чем у огнезащитных изоляционных материалов той же толщины для стальных конструкций, и даже превышает предел вспучивающихся огнезащитных покрытий.

Долговечность

Герметизирующие материалы, такие как бетон, обладают превосходной долговечностью и противостоят ухудшению характеристик с течением времени. Долговечность остается нерешенной проблемой для огнезащитных покрытий стальных конструкций. Тонкие и ультратонкие огнезащитные покрытия на органической-основе-, нанесенные как внутри, так и снаружи помещений, могут подвергаться разложению, деградации или старению своих органических компонентов. Это приводит к отслаиванию покрытия, его распушиванию или потере огнезащитных свойств.

Работоспособность

Нанесение распылением для противопожарной защиты стали является простым и не требует сложных инструментов. Однако покрытия,-наносимые распылением, плохо контролируют качество.-Удаление ржавчины, толщина покрытия и влажность окружающей среды затруднены. Методы инкапсуляции более сложны, особенно для раскосов и балок, но обеспечивают превосходную управляемость и стабильное качество. Пределы огнестойкости можно точно контролировать, регулируя толщину герметизирующего материала.

Воздействие на окружающую среду

Нанесение распылением загрязняет окружающую среду во время строительства, особенно потому, что при высоких температурах могут выделяться вредные газы. Методы герметизации не производят токсичных выбросов во время строительства, нормальной эксплуатации или в условиях пожара, что способствует защите окружающей среды и безопасности персонала во время пожаров.

Экономика

Метод распыления отличается простотой конструкции, короткой продолжительностью проекта и низкими затратами на строительство. Однако огнезащитные покрытия дороги, а затраты на техническое обслуживание высоки из-за таких проблем, как старение покрытия. Метод упаковки требует более высоких затрат на строительство, но использует недорогие материалы и требует низких затрат на техническое обслуживание. В целом, метод упаковки обеспечивает большую экономическую эффективность.

Применимость

Метод напыления не ограничен геометрией компонентов и широко используется для защиты балок, колонн, плит перекрытия, кровельных конструкций и других компонентов. Он особенно подходит для противопожарной защиты пространственных структурных систем, таких как легкие стальные конструкции, пространственные каркасные конструкции и стальные конструкции неправильной формы. Метод упаковки предполагает сложную конструкцию, особенно для таких компонентов, как стальные балки и раскосы. Обычно он чаще используется для колонн и имеет менее широкий спектр применения, чем метод распыления.

Занятость пространства

Огнезащитные покрытия, используемые при нанесении распылением, занимают минимальный объем, тогда как герметизирующие материалы, такие как бетон и огнеупорный кирпич, занимают пространство, уменьшая полезную площадь. Кроме того, герметизирующие материалы значительно тяжелее.

На основании вышеизложенного анализа можно сделать следующие выводы:

1) Выбор мер противопожарной защиты стальных конструкций должен учитывать множество факторов, включая тип элемента, сложность конструкции, требования к качеству, требования к долговечности и экономическую эффективность;

2) По сравнению с методами нанесения распылением и герметизации, нанесение распылением в первую очередь обеспечивает преимущества в упрощении методов изготовления и минимальном изменении внешнего вида компонентов после-нанесения. Инкапсуляция в первую очередь дает преимущества в более низкой стоимости, превосходной огнестойкости и долговечности;

3) Каждая мера противопожарной защиты имеет свои сильные и слабые стороны. В инженерных приложениях сочетание нескольких мер может использовать их преимущества и компенсировать недостатки. Реализация различных мер может обеспечить несколько уровней противопожарной защиты.