Системи конструктивного вогнезахисту сталі

Згідно з Єврокодом 3 (ДСТУ-Н Би EN 1993-1-2:2010) до вогнезахисних матеріалів відносяться будь-які матеріали або їх поєднання, що застосовуються в будівельній конструкції з метою підвищення її вогнестійкості. Необхідною умовою використання засобів вогнезахисту при розрахунках вогнестійкості та подальшому проектуванні є вимога, що вогнезахисні матеріали в умовах пожежі повинні не руйнуватись, а залишатися зчепленими з основою. Виходячи з цього визначення, крім традиційно вживаних для вогнезахисту сталевих конструкцій спеціальних засобів, в якості вогнезахисних покриттів можуть бути використані звичайні будівельні матеріали, які зберігають свою цілісність і не відшаровуються від конструкції під час пожежі.

У світовій практиці випробувань вогнезахисної ефективності будматеріалів – штукатурних сумішей, кам'яних, бетонних, плитних виробів – накопичений досить об'ємний практичний матеріал, який дозволив створити ефективну теоретичну базу для проведення розрахунків меж вогнестійкості сталевої конструкції різного перетину і конфігурації, захищеної від дії вогню конструктивними способами.

До конструктивних способів вогнезахисту відносяться – бетонування, обкладання цеглою, обштукатурювання поверхні елементів конструкцій, використання великорозмірних листових і плиткових вогнезахисних облицьовувань, застосування вогнезахисних конструктивних елементів, заповнення внутрішніх порожнин конструкцій тощо. Звичайні будівельні матеріали можуть забезпечити вогнестійкість будівельних конструкцій до 5–6 годин і в три-чотири рази дешевше спеціалізованих однотипних матеріалів, призначених і сертифікованих в якості засобу вогнезахисту.

Але, не дивлячись на такі преференції, спосіб вогнезахисту будівельними матеріалами практично не застосовується в новозведених будівлях і поширений при ремонтних і реставраційних роботах з метою посилення конструкцій, що втратили свої властивості міцносні внаслідок тривалої експлуатації.

Межі вогнестійкості сталевих конструкцій, захищених від вогню матеріалами загальнобудівельного призначення, визначаються за результатами вогняних випробувань згідно з національними стандартами (ДСТУ Б В.1.1-4-98*, ДСТУ Б В.1.1-13:2007, ДСТУ Б В.1.1-14:2007і ДСТУ Б В.1.1-17:2007), розрахунковими методами у відповідності із стандартами європейської лінії проектування згідно з Єврокодами, а також методиками, затвердженими або узгодженими в установленому порядку.

Положення за розрахунком вогнестійкості будівельних конструкцій викладені в частинах 1-2 відповідних Єврокодів, які набули чинності в Україні з 1 липня 2014 року, де розглянуті загальні дії на конструкції під час пожежі. Як основні переваги системи проектування згідно з Єврокодами відносно пожежної безпеки можна відзначити: орієнтованість на розрахункові методи; створення єдиного підходу проектування, що постійно актуалізується в Європейському Союзі; докладні і вичерпні розрахункові норми; вагомий об'єм допоміжної інформації для проектування вогнезахисту будівельних конструкцій; величезний вибір програмного забезпечення і шаблонів для розрахунків.

Огляд методів розрахунку межі вогнестійкості конструкцій, захищених будівельними матеріалами, демонструє, що крім розрахункових моделей Єврокодів в світовій практиці знаходить широке застосування метод емпіричних кореляцій, який детально викладений в Міжнародних будівельних нормах (МБН) і використаний нами для розрахунку меж вогнестійкості вітчизняного сортаменту сталевих колон і балок.

Збіг в межах допустимих погрішностей розрахункових меж вогнестійкості захищених сталевих колон і балок, отриманих із застосуванням Єврокодів і емпіричних рівнянь, приведених в Міжнародних будівельних нормах, що діють в США, дозволяє стверджувати про адекватність розрахункових моделей, пропонованих світовою практикою протипожежного захисту і є стимулом до впровадження в Україні розрахункових методів при проектуванні вогнезахисту сталевих конструкцій.

Розрахунок межі вогнестійкості сталевих конструкцій за Єврокодами

Відповідно до Єврокоду 3 межу вогнестійкості сталевих конструкцій визначають, використовуючи наступні методи:

• спрощені методи розрахунку
• уточнені методи розрахунку
• випробування

У Єврокоді 1 (ДСТУ-Н Би EN 1991 1 2:2010) розглянуті теплові і механічні дії на будівельні конструкції в умовах пожежі. Даний стандарт використовується спільно з протипожежними частинами стандартів ДСТУ-Н Би EN 1992 - ДСТУ-Н Би EN 1996 і ДСТУ-Н Би EN 1999, що містять правила проектування будівельних конструкцій з урахуванням забезпечення їх вогнестійкості. Стандарт визначає номінальні і параметричні (фізично обґрунтовані) теплові дії, встановлює принципи і правила визначення теплових і механічних дій, які повинні застосовуватися спільно з іншими Єврокодами.

Розрахунок межі вогнестійкості сталевих конструкцій за Єврокодом 3, для яких як вогнезахист застосовані конструктивні методи захисту (обетонування, обштукатурювання, облицьовування), проводиться з використанням в розрахунках теплофізичних характеристик вогнезахисних матеріалів. Метод розрахунку заснований на визначенні приросту температури ΔΘ_a,t  за проміжок часу Δt для рівномірного розподілу температури в поперечному перетині захищеної сталевої конструкції:

(1)

при ΔΘ_a,t ≥ 0, якщо ΔΘ_g,t &temp_gt; 0
де:

(2)

A_p/V – коефіцієнт перетину сталевих конструкцій, покритих вогнезахисними матеріалами м^-1;
A_m – площа поверхні вогнезахисного матеріалу на одиницю довжини, м²;
V – об'єм конструкцій на одиницю довжини, м³;
c_a – питома теплоємність сталі, Дж/кгК;
c_р – питома теплоємність вогнезахисного матеріалу, не залежна від температури, Дж/кгК;
d_p – товщина вогнезахисного матеріалу, м;
t – проміжок часу, при цьому  Δt ≥ 30, с;
Θ_a,t – температура сталі у момент часу t, °С;
Θ_g,t – температура середовища (номінальної пожежі) у момент часу t, °С;
ΔΘ_g,t – приріст температури середовища (номінальної пожежі) у момент часу Δt, °С;
ρ_a – густина сталі рівна 7850 кг/м³;
λ_p – коефіцієнт теплопровідності вогнезахисної системи, Вт/м°С;
ρ_р – густина вогнезахисного матеріалу, кг/м³.

Розрахунок межі вогнестійкості сталевих конструкцій за Міжнародними будівельними нормами. Розрахунки за емпіричними рівняннями Міжнародних будівельних норм підтверджені практикою вогнезахисту, що діє в США, шляхом множинних вогняних випробувань згідно стандартам ASTM. Дані, накопичені при випробуваннях найрізноманітніших будівельних конструкцій впродовж тривалого часу, лягли в основу міжнародних стандартів з вогнезахисної ефективності загальнобудівельних матеріалів, таких як бетон, цегляна кладка, керамічна плитка, гіпсокартонні листи і різні штукатурні суміші. Ці узагальнені данні з вогнезахисту будівельних конструкцій зареєстровані як будівельні норми, правила і стандарти і застосовуються при розробці проектів будівництва в частині вогнезахисної обробки.

В таблиці 1 приведені рівняння, за якими проводиться розрахунок межі вогнестійкості сталевої конструкції, захищеної будівельними матеріалами.

Таблиця 1. Рівняння для розрахунку меж вогнестійкості захищених сталевих конструкцій^*)

Спосіб вогнезахисту	Рівняння для розрахунку
(а) Бетон	R = 1,22(W/Р)0,7 + [0,0018(Te1,6/ λp0,2)]. [1,0 + 384{(S/dсTe / (0,25pс + Te)}0,8] R – межа вогнестійкості колони, г; W– питома вага сталевої колони, кг/м; Р – периметр сталевої колони, що обігрівається, мм; Те – еквівалентна товщина бетонного покриття, мм; c – коефіцієнт теплопровідності бетону, Вт/м°С; S – площа поперечного перетину сталевої колони, мм2; dс – густина бетону, кг/м3; рс – внутрішній периметр бетонного покриття, мм.	(3)
(б) Сталебетонные колонны	R = [a(f’c+20)/(L - 1000)]d2(d/C)1/2 R – межа вогнестійкості колони, г; а – коефіцієнт, що характеризує бетонне наповнення, рівний: 0,07 – для колон круглого перетину, заповнених силікатним бетоном 0,08 – для колон круглого перетину, заповнених вапняним бетоном 0,06 – для колон квадратного і прямокутного перетину, заповнених силікатним бетоном; fc – стискаюча сила після 28 днів виготовлення сталебетонної колони, МПа; L – довжина колон, м; d – зовнішній діаметр для колон круглого перетину і найменший зовнішній розмір для колон квадратного і прямокутного перетину, мм; С – навантаження на колону, кН. Рівняння застосовне для наступних умов: R &temp_lt; 2 ч; 20 MPa &temp_lt; fc &temp_lt; 40 Mpa; 2 м &temp_lt; L &temp_lt; 4 м; 140 мм &temp_lt; d &temp_lt; 305 мм.	(4)
(в) Кирпичи и камни строительные	R=1,22(W/Р)0,7 + [0,0018(dp1,6/ λp0,2)].[1,0 + 384{(S/dсdp / (0,25pc + dp)}0,8] R – межа вогнестійкості колони, г; W– питома вага сталевої колони, кг/м; Р – периметр сталевої колони, що обігрівається, мм; dp – товщина цегляної кладки, мм; p – теплопровідність цеглини, Вт/м°С; S – площа поперечного перетину сталевої колони, мм2; dс – густина цегляної кладки, кг/м3; рс – внутрішній периметр цегляної кладки, мм,	(5)
(г) Строительные штукатурки	R = [C1(17W/ps)+C2]dp/25.4 R – межа вогнестійкості, хв; W– питома вага сталевої колони, кг/м; dp – товщина матеріалу, що розпилюється, мм; P – периметр сталевої колони, що обігрівається, мм; C1 і C2 – коефіцієнти, які характеризують теплопровідність матеріалу, що розпилюється. Для цементно-піщаних штукатурок – C1 = 69 і C2 = 31; для покриттів з мінеральним волокном – C1 = 63 і C2 = 42; для легких цементно-перлитових (вермикулітових) штукатурок – C1 = 33 і C2 = 100.	(6)

*) Для критичної температури 538°С

Приклади розрахунку ефективності конструктивного вогнезахисту. Розрахунки межі вогнестійкості захищених сталевих двутаврів за рівнянням (1) і рівнянням таблиці 2 дозволяють визначити мінімальну товщину будівельних матеріалів для забезпечення відповідних меж вогнестійкості.

У таблиці 3 представлені розрахунки меж вогнестійкості сталевих колон, обетонованих за контуром ((а), табл. 1) легким і важким бетоном. Приведені розрахункові величини мінімальної товщини бетону (dр, мм) задовільно співпадають при розрахунку за Єврокодом 3(Р.1) і по МСН (Р. 3, табл. 1).

Таблиця 2. Порівняння мінімальної товщини бетону (d_р, мм) для забезпечення відповідних меж вогнестійкості сталевих двутаврів¹⁾ розрахованих за Єврокодом 3 і МСН

Легкий бетон (ДСТУ Б В.2.7-176:2008), ρр (dс) = 1800 кг/м3, λр (λc) = 0,70 Вт/м·°С2), Ср = 840 Дж/кгК
Коефіцієнт перетину профільний Am/V, м-1	Метод розрахунку	Клас вогнестійкості
		R 60	R 90	R 120	R 150	R 180
345-243	Єврокод 3	40-42	51-62	65-73	76-84	87-90
	Р. (3)	37-41	49-57	62-69	74-80	84-89
Тяжелый бетон (ДСТУ Б В.2.7-176:2008), ρр (dс) = 2500 кг/м3, λр (λc)= 1,5 Вт/м·°С2), Ср = 1000 Дж/кгК
Коефіцієнт перетину профільний Am/V, м-1	Метод розрахунку	Клас вогнестійкості
		R 60	R 90	R 120	R 150	R 180
345-243	Єврокод 3	44-50	60-65	71-77	84-86	94-98
	Р. (3)	41-46	57-62	71-74	83-87	93-98

1) Контурний захист ((а), табл. 1).
2) Згідно з рівнянням (1) коефіцієнт теплопровідності вогнезахисної системи залежить від температури

Такі ж розрахунки були проведені і для сталевих колон, обштукатурених цементно-вермикулітовою сумішшю (табл. 3). Спостерігається задовільний збіг розрахункових величин товщини вогнезахисної штукатурки, отриманих при використанні альтернативних методів розрахунку (Єврокода 3 і р. (6), табл.1), що підтверджує адекватність обох підходів для оцінки вогнезахисної ефективності використовуваного матеріалу.

Таблиця 3. Порівняння мінімальної товщини цементно-вермикулітової штукатурки (d_р, мм) для забезпечення відповідних меж вогнестійкості сталевих колон¹⁾

Цементно-вермикулітова штукатурка, dс = 600 кг/м3, λр(λc) = 0,10 Вт/м·°С2), Ср = 1130 Дж/кгК
Коефіцієнт перетину профільний Am/V, м-1	Метод розрахунку	Клас вогнестійкості
		R 60	R 90	R 120	R  150	R 180
345-140	Єврокод 3	12-18	18-24	24-32	30-37	36-44
	Р. (6)	12-16	18-22	24-29	30-35	35-41

1) Контурний захист ((г), табл. 1).
2) Згідно з рівнянням (1) коефіцієнт теплопровідності вогнезахисної системи залежить від температури.
Для розрахунків враховувалися дані отримані при випробуваннях згідно з ДСТУ Б В.1.1-17:2007

Загальні рекомендації при використанні конструктивного вогнезахисту

Основне призначення методів вогнезахисту при застосуванні теплоізоляційних будівельних матеріалів полягає в зменшенні швидкості теплопередачі сталевим елементам під час вогневого впливу. При цьому засоби вогнезахисту повинні задовольняти наступним характеристикам:

• незаймистість, мінімальне димоутворення і відсутність виділення шкідливих речовин в умовах пожежі;
• вогнезахисна ефективність, підтверджена вогняними випробуваннями згідно з національними стандартами для однотипних конструкцій різних розмірів, що діють, або методиками розрахунку, узгодженими в установленому порядку;
• відповідність використовуваного для вогнезахисту матеріалу нормативним документам(ТУ, ДСТУ, специфікаціям тощо), відповідно до яких він проводиться;
• тривалий термін експлуатації, заснований на фізико-хімічних характеристиках самого матеріалу і міцності його зчеплення з поверхнею сталі (при використанні вогнезахисних штукатурних покриттів);
• стійкість покриття до дії навколишнього середовища в процесі експлуатації.

Для попередньої оцінки меж вогнестійкості конструкцій при проектуванні вогнезахисту шляхом обетонування, облицьовування, цегляної кладки рекомендується керуватися наступними положеннями.

За ознакою несучої здатності:

• межа вогнестійкості навантажених конструкцій зменшується із збільшенням навантаження. Величину межі вогнестійкості конструкцій визначає, як правило, перетин з найбільшим значенням напруги, що піддається дії полум'я і високих температур;
• межа вогнестійкості конструкції тим вище, чим більше значення приведеної товщини конструкції;
• межа вогнестійкості статично невизначних конструкцій, як правило, вище межі вогнестійкості аналогічних статично визначних конструкцій за рахунок перерозподілу зусиль на менш напружені елементи, що нагріваються з меншою швидкістю. При цьому необхідно враховувати вплив додаткових зусиль, що виникають унаслідок температурних деформацій.

За теплоізолюючою здатністю:

• межа вогнестійкості шаруватих захищаючих конструкцій приймається рівною сумі меж вогнестійкості окремо взятих шарів. Збільшення числа шарів захищаючої конструкції (обштукатурювання, облицьовування) підвищує її межу вогнестійкості за теплоізолюючою здатністю;
• межі вогнестійкості захищаючих конструкцій з повітряним прошарком в середньому на 10 % вище за межі вогнестійкості тих же конструкцій без повітряного прошарку. Ефективність повітряного прошарку тим вище, чим більше вона видалена від поверхні, що обігрівається;
• межі вогнестійкості захищаючих конструкцій з несиметричним розташуванням шарів залежать від спрямованості теплового потоку. З того боку, де вірогідність виникнення пожежі вища, рекомендується розташовувати негорючі матеріали з низькою теплопровідністю;
• збільшення вологості конструкцій сприяє зменшенню швидкості прогріву і підвищенню вогнестійкості, за винятком тих випадків, коли збільшення вологості збільшує вірогідність руйнування матеріалу.

При визначенні вогнестійкості конструкцій на підставі перерахованих положень необхідно мати в своєму розпорядженні достатні відомості про межі вогнестійкості конструкцій, аналогічних тим, що розглядається за формою, використаним матеріалам і конструктивному виконанню, а також відомостями про основні закономірності їх поведінки при пожежі або вогневих випробуваннях. У випадках, коли приведені в даній публікації межі вогнестійкості вказані для однотипних конструкцій різного перетину, межа вогнестійкості конструкції, що має проміжний розмір, допускається визначати лінійною інтерполяцією.

За матеріалами Промислове будівництво та інженерні споруди.