Огнезащита строительных конструкций: современные средства и методы оптимального проектирования

Страхов В. Гаращенко А. Огнезащита строительных конструкций: современные средства и методы оптимального проектирования // Строительные материалы. 2002. №6. C.2-5

Огнезащита строительных конструкций (СК) играет важную роль в системе обеспечения пожарной безопасности различных объектов. Она предназначена для снижения пожарной опасности объектов и обеспечения их требуемой огнестойкости. К числу объектов, для которых проблема оптимальной огнезащиты имеет особенно большое значение, относятся:

- СК с нормируемыми пределами огнестойкости (колонны, балки, ригели, плиты перекрытий, рамные конструкции);

- огнестойкие воздухо- и газоводы систем противодымной защиты зданий и сооружений;

- кабельные коммуникации различных типов (силовые, осветительные, контрольные) и кабельные проходки через огнестойкие строительные конструкции;

- резервуары с нефтепродуктами и сжиженными газами и другие элементы нефтегазодобывающего и нефтехимического комплекса. В условиях пожара перечисленные объекты подвергаются совместному действию силовых нагрузок и высокотемпературного нагрева. Температура воздействующей на них газовой среды может изменяться во времени как по режимам реального пожара, так и по стандартным режимам. Продолжительность огневого воздействия может достигать 2,5 ч и более. Характерные значения плотности теплового потока, падающего на поверхность объектов в условиях развитого пожара, составляют около 50 кВт/м2. На рисунке представлены различные температурные режимы пожара.

На практике при оценке эффективности огнезащиты и огнестойкости конструкций наиболее часто используется так называемый стандартный температурный режим (кривая II на рисунке). Несмотря на то, что изменение температуры среды, воздействующей на конструкции при реальном пожаре, как правило, существенно отличается от стандартной температурно-времен-ной зависимости, этот режим был рекомендован международной организацией по стандартизации (ИСО) в качестве общепринятого температурного режима пожара.




Согласно СНиП 21-01-97* [1] одной из основных характеристик пожарной безопасности зданий и сооружений является степень их огнестойкости. Степень огнестойкости здания определяется огнестойкостью его строительных конструкций.

Показателем огнестойкости СК является предел огнестойкости, который определяется по времени (в минутах) наступления одного или последовательно нескольких нормируемых для данной конструкции признаков предельных состояний:

? потери несущей способности (R);

? потери целостности (Е);

? потери теплоизолирующей способности (I).

В таблицах СНиП 21-01-97* приведены значения требуемых пределов огнестойкости различных строительных конструкций зданий. Для противопожарных преград (стен, перегородок, перекрытий) в зависимости от их типа устанавливаются пределы огнестойкости от КЕІ 15 до КЕІ 1501.

В зависимости от степени огнестойкости зданий для его несущих элементов устанавливаются пределы огнестойкости от R 15 (III степень) до R 120 (I степень). Для наружных стен здания устанавливаются пределы огнестойкости от RE 15 (III степень) до RE 30 (I степень); для перекрытий междуэтажных, в том числе чердачных и над подвалами, ? от REI 15 до REI 60; для внутренних стен лестничных клеток - от REI 45 до REI 120, а для маршей и площадок лестниц - от R 30 до R 60.

Для некоторых уникальных зданий и сооружений, опасных производств устанавливают более жесткие показатели огнестойкости. Например, для СК подземных сооружений задают более высокие значения требуемых пределов огнестойкости по сравнению с наземными зданиями (180 мин и более).

Проведенный анализ фактических пределов огнестойкости СК различных типов показал, что наименьшую огнестойкость имеют металлические конструкции [2]. Предел их огнестойкости зависит в первую очередь от приведенной толщины металла2. Так например, стальные балки, прогоны, ригели, колонны, стойки и др. с приведенной толщиной металла 3, 5, 10, 15, 20, 30 мм имеют пределы огнестойкости 5, 9, 15, 18, 21, 27 мин соответственно. СНиП 21-01-97* допускает применение незащищенных стальных конструкций в тех случаях, когда минимальный требуемый предел огнестойкости конструкции указан R 15 (RE 15, REI 15), за исключением случаев, когда предел огнестойкости несущих элементов здания составляет менее R 8. В этих случаях, а также во всех остальных, когда требуемый предел огнестойкости конструкций превышает R 15 (RE 15, REI 15), повышение их огнестойкости до требуемого уровня производится с помощью огнезащиты.

При использовании деревянных конструкций в большинстве случаев должны приниматься меры по снижению горючести и пределов распространения огня. Это достигается применением огнезащитных пропиток или специальных покрытий.

__________________________________________________________________

1 Здесь цифры обозначают нормируемый для конструкций данного типа предел огнестойкости в минутах.

2 Под приведенной толщиной металла понимается отношение площади сечения элемента к обогреваемой части параметра сечения.



Кроме этого к несущим и ограждающим конструкциям из дерева могут предъявляться требования по огнестойкости. Деревянные конструкции обладают низким уровнем огнестойкости. Например, деревянные клееные балки прямоугольного сечения 31?72 x 12?21 см, применяемые в покрытиях производственных задний, имеют предел огнестойкости 30 мин. Деревянные клееные колонны прямоугольного сечения 19 x 30 см, нагруженные с эксцентриситетом 6 см, при нагрузке 274 кН имеют предел огнестойкости 45 мин [1].

Согласно пособию по определению пределов огнестойкости конструкций, пределов распространения огня по конструкциям и групп возгораемости материалов [3], пределы огнестойкости конструкций из древесины определяются с учетом скорости ее обугливания. При этом учитывается, что огнезащитная обработка практически не уменьшает скорости обугливания древесины. Повышение огнестойкости этих конструкций до требуемого уровня производится с помощью огнезащиты требуемой толщины.

Таким образом, проблема обеспечения огнестойкости СК особенно актуальна для металлических и деревянных конструкций, а также легких ограждений зданий и сооружений различного назначения. В некоторых случаях, в частности для подземных сооружений, она становится важной и для железобетонных конструкций.



Конструкции из бетона и железобетона. В пособии [3] даны рекомендации по установлению размеров железобетонного элемента и толщины защитного слоя бетона в зависимости от его вида, класса арматуры, типа конструкции, формы поперечного сечения и других факторов для обеспечения требуемого предела огнестойкости.

В тех случаях, когда принятое в соответствии с рекомендациями расстояние до оси арматуры железобетонного элемента не обеспечивает требуемого предела огнестойкости или принятое конструктивное исполнение элемента не удовлетворяет ограничениям по массе, материалоемкости и стоимости, применяют огнезащиту.

Исследования показали, что в огнезащите нуждаются главным образом сборные многослойные, пустотные, ребристые, тонкослойные панели и плиты, конструкции с внешним армированием, конструкции из полимербетона [2]. Причем для конструкций из полимербетона помимо огнестойкости актуально снижение горючести материала.

В случае подземных сооружений, в которых бетон несущих конструкций может иметь повышенную влажность, увеличение толщины защитного слоя бетона как средство обеспечения требуемых пределов огнестойкости не эффективно из-за опасности его взрывообразного разрушения в условиях пожара.



Повышение огнестойкости перечисленных конструкций до требуемого уровня осуществляется с помощью соответствующей огнезащиты.

Согласно действующим нормативам пожарной безопасности, например НПБ 236-97 [4], понятие ?огнезащита? предполагает использование различных средств огнезащиты ? огнезащитных составов или материалов. За рубежом в случае использования средств огнезащиты иногда применяют термин ?пассивная огнезащита?. При этом под активной огнезащитой понимается использование систем пожарной сигнализации, автоматического пожаротушения (спринклерных и дренчерных установок) и др.

Защита объектов от огневого воздействия осуществляется следующими способами:

а) бетонирование, оштукатуривание, обкладка кирпичом (конструктивный способ);

б) облицовка объекта огнезащиты штатными материалами или установка огнезащитных экранов на относе (конструктивный способ);

в) нанесение непосредственно на поверхность объекта огнезащитных покрытий (окраска, обмазка, напыление и др.);

г) пропитка подповерхностных слоев конструкций огнезащитным составом;

д) комбинированный (композиционный) способ, представляющий собой рациональное сочетание различных способов. Первый из них традиционно используется для строительных конструкций, к которым не предъявляется требование пониженной массы. Остальные способы могут применяться для всех перечисленных выше объектов.

Основными компонентами средств огнезащиты являются: а) термостойкие заполнители:

? вермикулит вспученный и невспученный (сырье);

- перлит вспученный и невспученный (сырье);

? керамзит;

? минеральные волокна из базальта, а также каолиновые, кремнеземистые и кварцевые волокна;

б) неорганические вяжущие вещества (воздушные, гидравлические и кислотоупорные):

? жидкое стекло натриевое;

? природный двуводный гипс и природный ангидрит;

? портландцемент;

? глиноземистый цемент;

? фосфатные вяжущие (растворы фосфатов и фосфорных кислот)

в) органические (полимерные) связующие:

? меламиноформальдегидная смола;

? аминосмолы;

? эпоксидные смолы в смеси с аминосмолами и др.;

? латексы сополимеров хлористого винила с винилиденхлоридом, бутадиена со стиролом и др.

г) специальные добавки, усиливающие огнезащитную способность композиции, повышающие технологичность огнезащитного состава, увеличивающие прочность, адгезию и долговечность огнезащиты. В некоторых случаях применяется однокомпонентная огнезащита (без связующего) в виде засыпок в полости или минеральной ваты из волокон, скрепленных силами естественного сцепления.

Из перечисленных компонентов можно спроектировать много различных средств огнезащиты, удовлетворяющих предъявляемым к ним требованиям.

Поведение материалов и конструкций в условиях пожара имеет следующие особенности.

В условиях пожара дерево, а также композиционные полимерные материалы подвергаются термическому разложению с выделением парогазовой смеси сложного состава и образованием пористого кокса. Это приводит к потере их прочности и жесткости.

Для стали характерно снижение жесткости и прочности с последующим переходом в пластичное состояние.

При нагреве бетон уменьшает свою жесткость и прочность. Кроме того, происходит его дегидратация, сопровождающаяся переносом массы пара. Бетон повышенной влажности испытывает взрывообразное разрушение при огневом воздействии.

Конструкции без огнезащиты деформируются и разрушаются под действием напряжений от внешних нагрузок и температуры. Огнезащита, блокирующая тепловой поток от огня к поверхности конструкций, позволяет сохранить их работоспособность в течение заданного времени.

Вспучивающиеся покрытия на органических связующих увеличивают толщину вследствие образования пенококса, который постепенно выгорает и в конце огневого воздействия может механически отрываться от конструкции.

Для покрытий на минеральных вяжущих, содержащих в своем составе связанную воду, характерно выделение и перенос массы пара, что приводит к блокированию теплового потока в защищаемую конструкцию и замедляет рост ее температуры.

Для вспучивающихся покрытий на минеральных вяжущих характерно как увеличение толщины при нагреве, так и блокирование теплового потока в защищаемую конструкцию за счет выделения и переноса массы пара.

Для огнезащиты из термостойких волокнистых или пористых материалов характерно поглощение и низкая интенсивность переноса теплоты теплопроводностью, конвекцией и излучением при сохранении исходной формы.

Композиционная огнезащита позволяет усилить физические эффекты блокирования теплового потока в защищаемую конструкцию, реализуемые при использовании простых способов огнезащиты.

Подробн