Jak ognioodporne konstrukcje stalowe?

Konstrukcje stalowe mają krytyczną słabość: słabą odporność ogniową. Aby zapewnić, że konstrukcje stalowe utrzymają swoją wytrzymałość i sztywność przez dłuższy czas podczas pożarów, chroniąc życie i mienie, w praktycznych projektach inżynieryjnych często wdraża się wiele środków ochrony przeciwpożarowej.

W tym artykule szczegółowo opisano różne środki ochrony przeciwpożarowej w oparciu o ich podstawowe zasady oraz porównano ich zalety i wady.

Środki ochrony przeciwpożarowej konstrukcji stalowych można zasadniczo podzielić na dwie kategorie: metody izolacji termicznej i metody chłodzenia wodą. Ich wspólnym celem jest zapewnienie, że temperatura komponentów nie przekroczy w określonym czasie ich temperatury krytycznej. Różnica polega na podejściu: metody izolacji termicznej zapobiegają przenoszeniu ciepła do komponentów, podczas gdy metody chłodzenia wodą pozwalają, aby ciepło dotarło do komponentów, a następnie rozproszyło je, aby osiągnąć cel.

Ocena odporności ogniowej konstrukcji stalowej odnosi się do czasu, w jakim jest ona odporna na ogień podczas standardowej próby ogniowej, mierzonej od momentu wystawienia jej na działanie ognia do momentu utraty stabilności, integralności lub izolacji termicznej.

Należy zauważyć, że chociaż sama stal nie zapala się ani nie pali, temperatura znacząco wpływa na jej właściwości. Przy 250 stopniach udarność stali maleje; a powyżej 300 stopni jego granica plastyczności i ostateczna wytrzymałość znacznie się zmniejszają. W rzeczywistych pożarach, przy stałych warunkach obciążenia, temperatura krytyczna, w której konstrukcje stalowe tracą stabilność równowagi statycznej, wynosi około 500 stopni, podczas gdy typowe temperatury pożaru osiągają 800–1000 stopni. W rezultacie pod wpływem wysokich temperatur pożaru konstrukcje stalowe szybko ulegają odkształceniu plastycznemu, co prowadzi do miejscowego zniszczenia i ostatecznie do zapadnięcia się i zniszczenia całej konstrukcji.

Konstrukcje stalowe muszą obejmować środki ochrony przeciwpożarowej, aby zapewnić wystarczające wskaźniki odporności ogniowej. Zapobiega to szybkiemu nagrzewaniu się elementów stalowych do temperatur krytycznych podczas pożarów, pozwala uniknąć nadmiernych odkształceń prowadzących do zawalenia się konstrukcji, a tym samym pozwala zyskać cenny czas na gaszenie pożarów i bezpieczną ewakuację, minimalizując-straty związane z pożarem.

Metody bariery termicznej
Metody bariery termicznej, podzielone na kategorie według powłok ognioodpornych i materiałów kapsułkujących, obejmują techniki natryskiwania i kapsułkowania. Metoda natryskowa zabezpiecza elementy poprzez powlekanie lub natryskiwanie powłok ognioodpornych. Metodę kapsułkowania można dalej podzielić na kapsułkowanie w środku i kapsułkowanie w formie stałej.

Metoda natryskowa

Zwykle powłoki ognioodporne są nakładane lub natryskiwane na powierzchnie stalowe, tworząc-ognioodporną warstwę izolacji termicznej, zwiększającą odporność ogniową konstrukcji stalowych. Metoda ta zapewnia prostą konstrukcję, niewielką wagę, wydłużony czas odporności ogniowej i nie jest ograniczona geometrycznym kształtem elementów stalowych. Oferuje dobrą-opłacalność i praktyczność, dzięki czemu jest szeroko stosowany. Ognioodporne powłoki konstrukcji stalowych są dostępne w różnych typach, ogólnie podzielonych na dwie klasy: cienkowarstwowe-powłoki klasy B (tj. pęczniejące ognioodporne powłoki konstrukcji stalowych) i grubowarstwowe-powłoki klasy H.

Powłoki ognioodporne klasy B mają zazwyczaj grubość powłoki 2-7 mm. Ich bazowym materiałem jest żywica organiczna, która zapewnia efekt dekoracyjny podczas rozszerzania się i zagęszczania w wysokich temperaturach. Ich odporność ogniowa może osiągnąć od 0,5 do 1,5 godziny. Ognioodporne powłoki cienkowarstwowe na konstrukcje stalowe charakteryzują się cienką powłoką, lekkością i dobrą odpornością na wibracje. W przypadku odsłoniętych wewnętrznych konstrukcji stalowych i lekkich stalowych konstrukcji dachowych, dla których określono odporność ogniową na poziomie 1,5 godziny lub mniej, zaleca się stosowanie cienkowarstwowych powłok ognioodpornych na konstrukcje stalowe. Ognioodporne powłoki typu H- mają zazwyczaj grubość powłoki od 8 do 50 mm i mają ziarnistą powierzchnię. Składają się głównie z nieorganicznych materiałów termoizolacyjnych, charakteryzują się niską gęstością i przewodnością cieplną. Oceny odporności ogniowej mogą sięgać od 0,5 do 3,0 godzin. Grubościowe-strukturalne ognioodporne powłoki są zazwyczaj-niepalne, odporne na starzenie i zapewniają niezawodną trwałość. W przypadku ukrytych konstrukcji stalowych do wnętrz,-wysokich, całkowicie-konstrukcji stalowych i wielopiętrowych-konstrukcji stalowych zakładów przemysłowych wymagających odporności ogniowej wynoszącej 1,5 godziny lub więcej, należy wybrać grubowarstwowe strukturalne ognioodporne powłoki.

Metoda kapsułkowania

1) Metoda pustej kapsułki: Zwykle wykorzystuje się ognioodporne płyty lub cegły ogniotrwałe do otoczenia elementów stalowych wzdłuż ich zewnętrznego obwodu. Większość konstrukcji stalowych w domowych zakładach petrochemicznych wykorzystuje mur z cegły ogniotrwałej do ochrony elementów stalowych. Metoda ta zapewnia wysoką wytrzymałość i odporność na uderzenia, ale ma wady, w tym znaczne wymagania przestrzenne i złożoną konstrukcję. Stosowanie lekkich paneli ogniotrwałych, takich jak płyty cementowe{{4} wzmocnione włóknem, płyty gipsowe lub płyty wermikulitowe, jako ognioodpornych warstw zewnętrznych. Metoda obudowy-skrzynkowej w przypadku dużych komponentów stalowych oferuje zalety, w tym gładkie i płaskie wykończone powierzchnie, niski koszt, minimalne straty materiału, brak zanieczyszczeń środowiska i odporność na starzenie, co stwarza obiecujące perspektywy szerokiego zastosowania.

2) Metoda obudowy stałej: Zwykle obejmuje obudowę elementów stalowych poprzez wylanie betonu w celu ich całkowitego otoczenia. Metodę tę zastosowano w przypadku stalowych kolumn w Światowym Centrum Finansowym Pudong w Szanghaju. Do jego zalet można zaliczyć dużą wytrzymałość i udarność, do wad należy jednak duża przestrzeń zajmowana przez betonową warstwę ochronną oraz stosunkowo skomplikowana konstrukcja, zwłaszcza na belkach i stężeniach stalowych.

Metody chłodzenia wodą

Metody chłodzenia wodą obejmują chłodzenie natryskiem wody i chłodzenie-wypełnieniem wodą.

Chłodzenie natryskowe wodą
Chłodzenie natryskowe wodą polega na zainstalowaniu nad konstrukcją stalową automatycznych lub ręcznych instalacji tryskaczowych. Podczas pożaru uruchomienie tryskaczy tworzy ciągłą warstwę wody na powierzchni stali. Kiedy płomienie dotrą do powierzchni stali, parująca woda pochłania ciepło, opóźniając osiągnięcie przez konstrukcję temperatury granicznej. Metodę tę wdrożono w budynku inżynierii lądowej na Uniwersytecie Tongji.

Chłodzenie wypełnione wodą-

Chłodzenie-wodą polega na napełnianiu pustych elementów stalowych wodą. Woda krążąca w konstrukcji stalowej pochłania ciepło wytwarzane przez samą stal, umożliwiając konstrukcji utrzymanie niższych temperatur podczas pożaru i zapobieganie utracie-nośności z powodu nadmiernego nagrzewania. Aby zapobiec korozji i zamarzaniu, woda musi zawierać inhibitory rdzy i środki przeciw zamarzaniu. Metodę tę zastosowano w przypadku słupów stalowych w 64-piętrowym budynku US Steel Building w Pittsburghu w USA.

Metody izolacji termicznej wykorzystują-materiały blokujące ciepło, aby spowolnić przenoszenie ciepła do stalowych elementów konstrukcyjnych. Ogólnie rzecz biorąc, izolacja zapewnia lepszą opłacalność ekonomiczną i praktyczność, dzięki czemu jest powszechnie stosowana w rzeczywistych zastosowaniach inżynieryjnych. Chociaż chłodzenie wodą jest skutecznym środkiem ochrony przeciwpożarowej, związane z nim specjalistyczne wymagania konstrukcyjne i wyższe koszty ograniczyły jego powszechne zastosowanie w praktyce inżynierskiej.

Ponieważ izolacja termiczna jest szeroko stosowana w ochronie przeciwpożarowej konstrukcji stalowych, w poniższej sekcji skupiono się na porównaniu zalet i wad metod powlekania natryskowego i hermetyzacji w ramach środków izolacji termicznej.

Odporność na ogień

Pod względem odporności ogniowej metoda hermetyzacji przewyższa metodę powlekania natryskowego. Materiały osłonowe, takie jak beton i cegły ogniotrwałe, wykazują lepszą odporność ogniową w porównaniu z konwencjonalnymi powłokami ognioodpornymi. Ponadto odporność ogniowa nowych paneli ognioodpornych przewyższa odporność ognioodpornych powłok. Ich granica odporności ogniowej jest znacznie wyższa niż w przypadku ognioodpornych materiałów izolacyjnych o tej samej grubości dla konstrukcji stalowych, a nawet przekracza granicę pęczniejących powłok ognioodpornych.

Trwałość

Materiały hermetyzacyjne, takie jak beton, charakteryzują się doskonałą trwałością i są odporne na spadek wydajności w miarę upływu czasu. Trwałość pozostaje nierozwiązanym wyzwaniem dla ognioodpornych powłok konstrukcji stalowych. Cienkie i ultracienkie-powłoki ognioodporne na bazie-organicznej, stosowane zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz, mogą ulegać rozkładowi, degradacji lub starzeniu się składników organicznych. Prowadzi to do łuszczenia się powłoki, proszkowania lub utraty właściwości ognioodpornych.

Wykonalność

Aplikacja natryskowa do ochrony przeciwpożarowej stali jest prosta i nie wymaga skomplikowanych narzędzi. Jednakże powłoki-nanoszone natryskowo zapewniają słabą kontrolę jakości-usuwania rdzy, grubości powłoki i wilgotności otoczenia są trudne do kontrolowania. Metody hermetyzacji są bardziej złożone, szczególnie w przypadku stężeń i belek, ale zapewniają doskonałą kontrolę i stałą jakość. Granice odporności ogniowej można precyzyjnie kontrolować, dostosowując grubość materiału hermetyzującego.

Wpływ na środowisko

Aplikacja natryskowa powoduje zanieczyszczenie środowiska podczas budowy, zwłaszcza że pod wpływem wysokich temperatur mogą wydzielać się szkodliwe gazy. Metody kapsułkowania nie wytwarzają toksycznych emisji podczas budowy, normalnego użytkowania lub w warunkach pożaru, co jest korzystne dla ochrony środowiska i bezpieczeństwa personelu podczas pożarów.

Ekonomika

Metoda natryskowa charakteryzuje się prostą konstrukcją, krótkim czasem realizacji i niskimi kosztami budowy. Jednakże powłoki ognioodporne są drogie, a koszty konserwacji wysokie ze względu na problemy takie jak starzenie się powłoki. Metoda owijania wiąże się z wyższymi kosztami budowy, ale wykorzystuje niedrogie materiały i wiąże się z niskimi kosztami konserwacji. Ogólnie rzecz biorąc, metoda owijania zapewnia lepszą efektywność ekonomiczną.

Możliwość zastosowania

Metoda natryskiwania nie jest ograniczona geometrią komponentów i jest szeroko stosowana do zabezpieczania belek, kolumn, stropów, konstrukcji dachowych i innych elementów. Szczególnie nadaje się do ochrony przeciwpożarowej w przestrzennych systemach konstrukcyjnych, takich jak lekkie konstrukcje stalowe, konstrukcje ramowe i nieregularne konstrukcje stalowe. Metoda owijania wymaga złożonej konstrukcji, szczególnie w przypadku komponentów takich jak belki stalowe i stężenia. Generalnie jest częściej stosowana do kolumn i ma mniej szeroki zakres zastosowań niż metoda natryskowa.

Zajętość przestrzeni

Powłoki ognioodporne stosowane w natrysku zajmują minimalną objętość, natomiast materiały hermetyzacyjne, takie jak beton i cegły ognioodporne, zajmują przestrzeń, zmniejszając powierzchnię użytkową. Ponadto materiały kapsułkujące są znacznie cięższe.

Na podstawie powyższej analizy można wyciągnąć następujące wnioski:

1) Wybór środków ochrony przeciwpożarowej dla konstrukcji stalowych musi uwzględniać wiele czynników, w tym rodzaj elementu, trudność konstrukcji, wymagania jakościowe, wymagania dotyczące trwałości i efektywność ekonomiczną;

2) Porównując metody natryskiwania i kapsułkowania, nakładanie natryskiem oferuje przede wszystkim korzyści w postaci uproszczonych technik konstrukcyjnych i minimalnych zmian w wyglądzie komponentów po-nałożeniu. Hermetyzacja oferuje przede wszystkim korzyści w postaci niższych kosztów, doskonałej odporności ogniowej i trwałości;

3) Każdy środek ochrony przeciwpożarowej ma różne mocne strony i ograniczenia. W zastosowaniach inżynierskich połączenie wielu środków może wykorzystać ich zalety i zrekompensować niedociągnięcia. Wdrożenie różnych środków może ustanowić wiele poziomów ochrony przeciwpożarowej.