Противопожарная защита: зарубежная практика эффективной огнестойкости

Противопожарная защита: зарубежная практика эффективной огнестойкости

Реальный предел состояния воспламенения является случайной нагрузкой, поэтому субъективно подвержен более низким нагрузочным коэффициентам, чем предельно допустимое состояние. Если смотреть исключительно на приложенную нагрузку, тогда элемент со 100% -ной ёмкостью, при предельных коэффициентах нагрузки в предельном состоянии, как правило, будет иметь только 60% ёмкость с применёнными взамен коэффициентами нагрузки предельного состояния. Отсюда вывод — любая противопожарная защита должна включать конструкционные стальные элементы на уровне не менее 60% от степени прочности при комнатной температуре.

Поддержание устойчивости конструкции зданий при пожаре

Все материалы теряют прочность по мере нагревания. Для обеспечения 60% прочности металлоконструкций, следовательно, для поддержания устойчивости конструкции здания, температура металлоконструкций не должна превышать 550°C. Поэтому конструкция противопожарной защиты основана на этом предельном параметре для элементов, подверженных воздействию огня с четырёх сторон. Ниже показан график зависимости прочности от температуры для стали:

Противопожарная защита - график для стали
График зависимости степени прочности стали от температурного воздействия при пожаре: Кп – коэффициент прочности стали при комнатной температуре; Т – температура, при которой сталь нагревается при пожаре

Для балки, поддерживающей бетонную плиту, температурный профиль также оказывает влияние на несущую способность. Испытания показали, что предельная температура для балок конструкционного устройства составляет 620°C. Это повышение температуры достигается за счёт того, что эффект теплового отвода бетонной плиты создаёт значительный температурный профиль по сечению.

Когда горячая часть секции достигает температуры 550°C, эта часть пластически деформируется и передаёт нагрузку на более холодные области секции, пока что остающиеся пластичными.

При дальнейшем повышении температуры большая нагрузка переносится из горячей области под действием пластической податливости, пока в конечном итоге нагрузка в холодной области не становится настолько высокой, что повреждает элемент при 620°C.

Поэтому конструкция противопожарной защиты основана именно на такой предельной температуре для балок, поддерживающих бетонную плиту, которая в свою очередь, может подвергаться воздействию огня с трёх сторон.

Противопожарная защита — определение коэффициента сечения балки

Коэффициент сечения — способ характеристики скорости нагрева элемента. Является ключевым фактором при определении огнестойкости элемента конкретного сечения. Форма элемента определяет время, необходимое для достижения точки отказа или предельной температуры, варьирующееся в зависимости от относительных размеров элемента.

Тяжёлая массивная секция, к примеру, будет нагреваться медленнее, чем лёгкая тонкая секция — очевидный момент. Этот эффект количественно определяется коэффициентом сечения.

HEIMAN

Противопожарная защита - температурный профиль стальной секции
Температурный профиль стальных секций строительной конструкции: А — полностью нагруженная балка подвергается воздействию огня с четырёх сторон и разрушается при 550°C; В — полностью нагруженная балка подвергается воздействию с трёх сторон и разрушается при 620°C

Коэффициент сечения определяется по-разному в зависимости от стандартизации конкретных стран. В любом случае, коэффициент сечения следует рассматривать как нагреваемый периметр открытого поперечного сечения, делённый на общую площадь поперечного сечения. Как правило, любые существующие подходы дают одинаковое значение для сечений постоянной площади поперечного сечения.

Коэффициенты сечения варьируются от 25 м-1 для очень больших срезов, до 300 м-1 и более для небольших тонких сечений. Несмотря на то, что коэффициент сечения может быть легко рассчитан, обычно для определения этого параметра различных профилей обращаются к брошюрам свойств или иной документации.

Расчётная формула коэффициента сечения балки (секции)

Коэффициент сечения также зависит от того, используется ли система противопожарной защиты в штучной упаковке или профильная система на основе покрытия, а также от того, несёт ли секция плиту пола. В тех случаях, когда секция частично защищена, например, колонна встроена в стену по периметру, коэффициент секционирования также следует рассчитывать, поскольку стандартные таблицы не представляют эту схему.

Следует отметить, что клеточные балки могут отображать сложные механизмы разрушения при пожаре. Исследования в этой области проводились Ассоциацией производителей противопожарной защиты (ASFP) и производителей противопожарной защиты. Работая с SCI, ASFP разработал структурные модели для балок с круглыми и прямоугольными отверстиями.

ДЕТЕКТОР

Противопожарная защита - элементы строительной конструкции
Коэффициент поперечного сечения строительных балок, определяющий фактор огнестойкости – противопожарной защиты: A — низкий коэффициент поперечного сечения даёт медленный нагрев; B – высокий коэффициент поперечного сечения даёт быстрый нагрев

Эти модели позволяют рассчитать предельную температуру как функцию геометрии балки и нагрузки. Затем функцию можно использовать для определения правильной толщины огнезащиты для требуемого периода огнестойкости на основе коэффициента сечения, рассчитанного по формуле:

Кс = 1400 / T

где: T — толщина стенки (мм).

Для всех типов сечений уменьшенный коэффициент сечения может привести к снижению противопожарной защиты для достижения такой же огнестойкости. Где необходимы несколько слоев огнезащиты, иногда будет более экономичным уменьшить коэффициент сечения за счет увеличения веса стального элемента для достижения огнестойкости за одно применение.

Предельное увеличение веса может быть более чем компенсировано снижением затрат на противопожарную защиту путём применения одного слоя защиты, а не нескольких слоев. Определив коэффициент сечения, проектировщик может затем оценить тип защиты, требуемой для достижения необходимого периода огнестойкости.

Противопожарная защита и незащищенная сталь

Согласно утверждённым документам, горячекатаные конструкционные профили и трубы при полной проектной нагрузке относительно противопожарной защиты, должны сохранять огнестойкость в течение 15 минут, если эти элементы соответствуют следующим критериям:

  • балки, поддерживающие бетонные полы (Кс не менее 230 м-1);
  • секции с подогревом с четырёх сторон (Кс не менее 180 м-1);
  • крепления (Кс не менее 210 м-1).

Эти критерии обеспечивают структурную стабильность здания, безопасную эвакуацию в случае пожара. Пороговые уровни для некоторого типа секций приведены в таблицах ниже.

Таблица 1: Пороговые уровни строительных секций

Размер секции Значение Кп, м-1 Нагрузка Нагрузка сдвига
127х76 280 0,53 0,41
152х89 270 0,53 0,41
178х102 260 0,55 0,43
203х102 235 0,64 0,5
203х133 245 0,54 0,42
254х102 280 0,47 0,37
305х102 280 0,49 0,38
356х127 250 0,59 0,46
406х140 240 0,59 0,46

Таблица 2: Пороговые уровни строительных секций

Размер секции Значение Кп, м-1 К гибкости Нагрузка максимум
152х102 305 81 0,36
203х102 200 58 0,51

Противопожарная защита, однако, зачастую не требуется для одноэтажных навесов. Подавляющее большинство горячекатаных профилей соответствует обозначенным критериям.

Противопожарная защита: структурные системы металлоконструкций

Современная практика противопожарной защиты на строительстве отмечается использованием систем, представляющих собой:

  1. Тонкоплёночные вспучивающиеся покрытия,
  2. Щитовые прикрытия,
  3. Частичную защиту,
  4. Заполненные бетоном полые секции.

Влияние на конструкцию плиты пола также учитывается для сетчатых и армированных волокном систем.

Тонкопленочные вспучивающиеся покрытия

Тонкоплёночные вспучивающиеся покрытия представлены красками наподобие материалов инертных при низких температурах. Между тем такие краски обеспечивают изоляцию в результате сложной химической реакции при температурах диапазона 200-250°C, когда свойства стали всё еще остаются неизменными.

По мере того как покрытие реагирует на огонь, происходит набухание структуры. Образуется расширенный слой полукокса с низкой проводимостью, которым изолируется стальной профиль. Типичные коэффициенты расширения составляют примерно 50:1. То есть покрытие толщиной 1 мм в процессе нагрева расширяется до 50 мм.

ОДЕЯЛО

Противопожарная защита и вспучивающиеся покрытия
Результат работы противопожарного вспучивающегося покрытия, когда за счёт реакции от воздействия температуры формируется достаточно мощный защитный слой

Тонкоплёночные вспучивающиеся покрытия преимущественно используются в конструкциях зданий, где требования противопожарной защиты по времени составляют не более 90 минут. Однако последние годы отметились разработкой ряда продуктов, способных обеспечить противопожарную защиту (огнестойкость) в течение 120 минут.

Вспучивающиеся покрытия допустимо наносить как непосредственно на месте, так и за пределами точки установки. Есть выбор в плане декоративной отделки. Тонкоплёночные вспучивающиеся материалы обладают дополнительными преимуществами – возможностью покрытия сложных по формам объектов.

Щитовые прикрытия стальных конструкций

Достаточно широко для структурной противопожарной защиты используются щитовые прикрытия. Предлагая безупречный внешний вид в штучной упаковке, щитовые прикрытия обладают дополнительным преимуществом – сухим способом нанесения на неокрашенные стальные конструкции. Существует в целом два семейства защитных щитовых покрытий:

  1. Облегчённые.
  2. Утяжелённые.

Первый тип не подходят для декоративной отделки и, как правило, используются в таких местах, где эстетика не важна. Утяжелённые щиты обычно поддерживают декоративную отделку, соответственно, могут применяться в условиях обязательного сохранения эстетики внешнего вида.

Частичная защита стальных элементов

Обычно частичную противопожарную защиту устраивают в рамках общего расположения либо для балки, отлитой в глубину плиты пола, которую эта балка поддерживает, либо для колонны, встроенной в стенку полости. Распространённым примером этого варианта является зарубежная система «Slimdek от Tata Steel». Также допустимо применение к балкам с пластиной, приваренной к нижнему фланцу для обеспечения аналогичного профиля или для стандартного проката, поддерживающего плиточный пол на углах.

КИСЛОРОД

Щитовая огневая защита на случай пожара
Пример устройства противопожарной защиты с помощью щитовых покрытий. Этот способ достаточно широко распространён в зарубежной практике строительства

Вместо того, чтобы обеспечивать противопожарную защиту в течение требуемого периода огнестойкости, разработчики могут воспользоваться преимуществом эффекта теплового отвода конструкционной плиты. Наиболее распространённым применением этого подхода является использование плит определённой серии, поддерживающих 60-минутную огнестойкость без необходимости обеспечения какой-либо противопожарной защиты.

Для частично открытой колонны требуемая противопожарная защита может быть рассчитана из коэффициента сечения открытой части элемента, а не консервативно, используя значение для всего профиля. Этот вариант несложно просчитать с использованием примера расчёта коэффициентов сечения.

Противопожарная защита и заполненные бетоном полые секции

Заполняя полые секции бетоном, получают композитный профиль. Таким подходом увеличивается нагрузочная способность по сравнению с незаполненным участком.

Для периодов огнестойкости 60 минут и более, при использовании внешних незащищенных секций, эти секции обычно должны содержать армирование. Проектирование составных полых секций применительно к противопожарной защите может осуществляться с использованием программного обеспечения, например, «Firesoft» от «Tata Steel».

Противопожарную защиту допустимо обеспечить путём применения внешней противопожарной защиты, — обычно тонкого вспучивающегося слоя. Поскольку наличие бетонного сердечника действует как тепловой отвод, эффективный коэффициент сечения следует использовать для определения требуемой толщины покрытия.

Противопожарная защита — проектирование композитных стальных настилов

Композитные стальные полы составлены единой конструкцией профилированной стальной палубы и бетонной плиты. Сетка или другая армированная структура заливаются в плиту для контроля растрескивания, противодействия продольному сдвигу и, в случае пожара, для усиления растяжения.

Противопожарная конструкция профилированного настила способствует удачному сопряжению бетона и стали под распределение нагрузки. Композитное действие между опорными балками и бетоном создаётся путём сварки срезных шпилек через настил на верхнем фланце балки.

КОНТРОЛЛЕР

Противопожарная защита - композитный настил
Пример структуры композитного настила – ещё одного современного способа устройства противопожарной защиты на строительных объектах

Как правило, проектировщиками предполагается, что в условиях обычной пожарной обстановки стальной настил не влияет на общую прочность. Однако настил играет важную роль в плане поддержания целостности и фактора противопожарной изоляции. Настил действует как диафрагма, предотвращая прохождение пламени и горячих газов, противодействуя температурным разрушениям.

При пожаре армирование становится эффективным, поведение пола напоминает поведение усиленной плиты, а нагрузкам противостоит изгибающее действие. Действие контактной сети может развиваться вдали от краёв пола, при этом арматура действует в прямом натяжении, но не изгибается.

Отказ плиты происходит, когда подкрепление уступает. Большинство производителей стальных настилов предоставляют программное обеспечение для проектирования полов с использованием своей продукции, а также выпускают литературу с краткой справочной информацией об арматуре, необходимой для достижения желаемого периода огнестойкости.

Противопожарная зашита — заполнение пустот композитных настилов

Исследования показали, что заполнение пустот между приподнятыми частями профиля палубы и верхним фланцем балки в конструкции из композитной стальной палубы, как части стратегии противопожарной защиты балки, не всегда является необходимостью. Верхний фланец составной балки находится настолько близко к пластичной нейтральной оси, что вносит небольшой вклад для прочности на изгиб элемента в целом.

Таким образом, температура верхнего фланца часто может повышаться при соответствующем снижении прочности фланца без существенного неблагоприятного влияния на производительность композитной системы. Пустоты под настилом с профилями «ласточкин хвост» или «возвратным» профилем могут оставаться незаполненными в течение всего периода противопожарной защиты.

Большие пустоты, которые возникают под трапециевидными профилями, во многих случаях можно оставить открытыми для противопожарной огнестойкости до 90 минут. Однако может потребоваться некоторое увеличение толщины противопожарной огнезащиты, применяемой к остальной части балки.


При помощи информации: ResearchGate