Системы конструктивной огнезащиты стали

Согласно Еврокоду 3 (ДСТУ-Н Б EN 1993-1-2:2010) к огнезащитным материалам относятся любые материалы или их сочетания, примененные в строительной конструкции с целью повышения ее огнестойкости. Необходимым условием использования средств огнезащиты при расчетах огнестойкости и дальнейшем проектировании является требование, что огнезащитные материалы в условиях пожара должны не разрушаться, а оставаться сцепленными с основанием. Исходя из этого определения, помимо традиционно применяемых для огнезащиты стальных конструкций специальных средств, в качестве огнезащитных покрытий могут быть использованы обычные строительные материалы, которые сохраняют свою целостность и не отслаиваются от конструкции во время пожара.

В мировой практике испытаний огнезащитной эффективности стройматериалов – штукатурных смесей, каменных, бетонных, плитных изделий – накоплен довольно объемный практический материал, который позволил создать эффективную теоретическую базу для проведения расчетов пределов огнестойкости стальной конструкции различного сечения и конфигурации, защищенной от воздействия огня конструктивными способами.

К конструктивным способам огнезащиты относятся – обетонирование, обкладка кирпичом, оштукатуривание поверхности элементов конструкций, использование крупноразмерных листовых и плитных огнезащитных облицовок, применение огнезащитных конструктивных элементов, заполнение внутренних полостей конструкций и др. Обычные строительные материалы могут обеспечить огнестойкость строительных конструкций до 5–6 часов и в три-четыре раза дешевле специализированных однотипных материалов, предназначенных и сертифицированных как средство огнезащиты.

Но, несмотря на такие преференции, способ огнезащиты строительными материалами практически не применяется во вновь возводимых зданиях и распространен при ремонтных и реставрационных работах с целью усиления конструкций, потерявших свои прочностные свойства вследствие длительной эксплуатации.

Пределы огнестойкости стальных конструкций, защищенных от огня материалами общестроительного назначения, определяются по результатам огневых испытаний согласно национальным стандартам (ДСТУ Б В.1.1-4-98*, ДСТУ Б В.1.1-13:2007, ДСТУ Б В.1.1-14:2007 и ДСТУ Б В.1.1-17:2007), расчетными методами в соответствии со стандартами европейской линии проектирования согласно Еврокодам, а также методиками, утвержденными или согласованными в установленном порядке.

Положения по расчету огнестойкости строительных конструкций изложены в частях 1-2 соответствующих Еврокодов, которые вступили в силу в Украине с 1 июля 2014 года, где рассмотрены общие действия на конструкции во время пожара. В качестве основных преимуществ системы проектирования согласно Еврокодам касательно пожарной безопасности можно отметить: ориентированность на расчетные методы; создание единого, постоянно актуализируемого подхода проектирования в Европейском Союзе; подробные и исчерпывающие расчетные нормы; весомый объем вспомогательной информации для проектирования огнезащиты строительных конструкций; огромный выбор программного обеспечения и шаблонов для расчетов.

Обзор методов расчета предела огнестойкости конструкций, защищенных строительными материалами, демонстрирует, что помимо расчетных моделей Еврокодов в мировой практике находит широкое применение метод эмпирических корреляций, который подробно изложен в Международных строительных нормах (МСН) и использован нами для расчета пределов огнестойкости отечественного сортамента стальных колонн и балок.

Совпадение в пределах допустимых погрешностей расчетных пределов огнестойкости защищенных стальных колонн и балок, полученных с применением Еврокодов и эмпирических уравнений, приведенных в Международных строительных нормах, действующих в США, позволяет утверждать об адекватности расчетных моделей, предлагаемых мировой практикой противопожарной защиты и является стимулом к внедрению в Украине расчетных методов при проектировании огнезащиты стальных конструкций.

Расчет предела огнестойкости стальных конструкций по Еврокодам

В соответствии с Еврокодом 3 предел огнестойкости стальных конструкций определяют, используя следующие методы:

• Упрощенные методы расчета
• Уточненные методы расчета
• Испытания

В Еврокоде 1 (ДСТУ-Н Б EN 1991 1 2:2010) рассмотрены тепловые и механические воздействия на строительные конструкции в условиях пожара. Данный стандарт используется совместно с противопожарными частями стандартов ДСТУ-Н Б EN 1992 - ДСТУ-Н Б EN 1996 и ДСТУ-Н Б EN 1999, содержащими правила проектирования строительных конструкций с учетом обеспечения их огнестойкости. Стандарт определяет номинальные и параметрические (физически обоснованные) тепловые воздействия, устанавливает принципы и правила определения тепловых и механических воздействий, которые должны применяться совместно с другими Еврокодами.

Расчет предела огнестойкости стальных конструкций по Еврокоду 3, для которых в качестве огнезащиты применены конструктивные методы защиты (обетонирование, оштукатуривание, облицовывание), производится с использованием в расчетах теплофизических характеристик огнезащитных материалов. Метод расчета основан на определении прироста температуры ΔΘ_a,t за промежуток времени Δt для равномерного распределения температуры в поперечном сечении защищенной стальной конструкции:

(1)

при ΔΘ_a,t ≥ 0, если ΔΘ_g,t > 0
где:

(2)

A_p/V – коэффициент сечения стальных конструкций, покрытых огнезащитными материалами, м^-1;
A_m – площадь поверхности огнезащитного материала на единицу длины, м²;
V – объем конструкций на единицу длины, м³;
c_a – удельная теплоемкость стали, Дж/кгК;
c_р – удельная теплоемкость огнезащитного материала, не зависящая от температуры, Дж/кгК;
d_p – толщина огнезащитного материала, м;
t – промежуток времени, при этом Δt ≥ 30, с;
Θ_a,t – температура стали в момент времени t, °С;
Θ_g,t – температура среды (номинального пожара) в момент времени, t, °С;
ΔΘ_g,t – прирост температура среды (номинального пожара) в момент времени Δt, °С;
ρ_a – плотность стали равная 7850 кг/м³;
λ_p – коэффициент теплопроводности огнезащитной системы, Вт/м°С;
ρ_р – плотность огнезащитного материала, кг/м³.

Расчет предела огнестойкости стальных конструкций по Международным строительным нормам. Расчеты по эмпирическим уравнениям Международных строительных норм подтверждены действующей в США практикой огнезащиты путем множественных огневых испытаний согласно стандартам ASTM. Данные, накопленные при испытаниях самых разнообразных строительных конструкций на протяжении длительного времени, легли в основу международных стандартов по огнезащитной эффективности общестроительных материалов, таких как бетон, кирпичная кладка, керамическая плитка, гипсокартонные листы и различные штукатурные смеси. Эти обобщенные данные по огнезащите строительных конструкций зарегистрированы как строительные нормы, правила и стандарты и применяются при разработке проектов строительства в части огнезащитной обработки.

В таблице 1 приведены уравнения, по которым производится расчет предела огнестойкости стальной конструкции, защищенной строительными материалами.

Таблица 1. Уравнения для расчета пределов огнестойкости защищенных стальных конструкций*) 

Способ огнезащиты	Уравнение для расчета
(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 – предел огнестойкости колонны, ч; W– удельный вес стальной колонны, кг/м; Р – обогреваемый периметр стальной колонны, мм; Те – эквивалентная толщина бетонного покрытия, мм; c – коэффициент теплопроводности бетона, Вт/м°С; S – площадь поперечного сечения стальной колонны, мм2; dс – плотность бетона, кг/м3; рс – внутренний периметр бетонного покрытия, мм.	(3)
(б) Сталебетонные колонны	R = [a(f’c+20)/(L - 1000)]d2(d/C)1/2 R – предел огнестойкости колонны, ч; a – коэффициент, характеризующий бетонное наполнение, равный: 0,07 – для колонн круглого сечения, заполненных силикатным бетоном, 0,08 – для колонн круглого сечения, заполненных известковым бетоном, 0,06 – для колонн квадратного и прямоугольного сечения, заполненных силикатным бетоном; fc – сжимающая сила после 28 дней изготовления сталебетонной колонны, МПа; L – длина колонн, м; d – внешний диаметр для колонн круглого сечения и наименьший наружный размер для колонн квадратного и прямоугольного сечения, мм; С – нагрузка на колонну, кН. Уравнение применимо для следующих условий: R < 2 ч; 20 MPa < fc < 40 Mpa; 2 м < L < 4 м; 140 мм < d < 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 – предел огнестойкости колонны, ч; W– удельный вес стальной колонны, кг/м; Р – обогреваемый периметр стальной колонны, мм; dp – толщина кирпичной кладки, мм; p – теплопроводность кирпича, Вт/м °С; S – площадь поперечного сечения стальной колонны, мм2; dс – плотность кирпичной кладки, кг/м3; рс – внутренний периметр кирпичной кладки, мм	(5)
(г) Строительные штукатурки	R = [C1(17W/ps)+C2]dp/25.4 R – предел огнестойкости, мин; W– удельный вес стальной колонны, кг/м; dp – толщина распыляемого материала, мм; P – обогреваемый периметр стальной колонны, мм; C1 и C2 – коэффициенты, характеризующие теплопроводность распыляемого материала. Для цементно-песчаных штукатурок – C1 = 69 и C2 = 31; для покрытий с минеральным волокном – C1 = 63 и C2 = 42; для легких цементно-перлитовых (вермикулитовых) штукатурок – C1 = 33 и C2 = 100.	(6)

*) Для критической температуры 538°С

Примеры расчета эффективности конструктивной огнезащиты. Расчеты предела огнестойкости защищенных стальных двутавров по уравнению (1) и уравнениям таблицы 2 позволяют определить минимальные толщины строительных материалов для обеспечения соответствующих пределов огнестойкости.

В таблице 3 представлены расчеты пределов огнестойкости стальных колонн, обетонированных по контуру ((а), табл. 1) легким и тяжелым бетоном. Приведенные расчетные величины минимальных толщин бетона (d_р, мм) удовлетворительно совпадают при расчете по Еврокоду 3 (Ур. 1) и по МСН (Ур. 3, табл. 1).

Таблица 2. Сравнение минимальной толщина бетона (d_р, мм) для обеспечения соответствующих пределов огнестойкости стальных двутавров1) рассчитанных по Еврокоду 3 и 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
Коэффициент сечения профильный Am/V, м-1	Метод расчета	Класс огнестойкости
		R 60	R 90	R 120	R 150	R 180
345-243	Еврокод 3	40-42	51-62	65-73	76-84	87-90
	Ур. (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
Коэффициент сечения профильный Am/V, м-1	Метод расчета	Класс огнестойкости
		R 60	R 90	R 120	R 150	R 180
345-243	Еврокод 3	44-50	60-65	71-77	84-86	94-98
	Ур. (3)	41-46	57-62	71-74	83-87	93-98

1) Контурная защита ((а), табл. 1).
2) Согласно уравнению (1) коэффициент теплопроводности огнезащитной системы зависит от температуры

Такие же расчеты были проведены и для стальных колонн, оштукатуренных цементно-вермикулитовой смесью (табл. 3). Наблюдается удовлетворительное совпадение расчетных величин толщин огнезащитной штукатурки, полученных при использовании альтернативных методов расчета (Еврокода 3 и ур. (6), табл.1), что подтверждает адекватность обоих подходов для оценки огнезащитной эффективности используемого материала.

Таблица 3. Сравнение минимальных толщин цементно-вермикулитовой штукатурки (d_р, мм) для обеспечения соответствующих пределов огнестойкости стальных колонн1)

Цементно-вермикулитовая штукатурка, dс = 600 кг/м3, λр(λc) = 0,10 Вт/м·°С2), Ср = 1130 Дж/кгК
Коэффициент сечения профильный Am/V, м-1	Метод расчета	Класс огнестойкости
		R 60	R 90	R 120	R  150	R 180
345-140	Еврокод 3	12-18	18-24	24-32	30-37	36-44
	Ур. (6)	12-16	18-22	24-29	30-35	35-41

1) Контурная защита ((г), табл. 1).
2) Согласно уравнению (1) коэффициент теплопроводности огнезащитной системы зависит от температуры.
Для расчетов учитывались данные полученные при испытаниях согласно ДСТУ Б В.1.1-17:2007

Общие рекомендации при использовании конструктивной огнезащиты

Основное предназначение методов огнезащиты при применении теплоизоляционных строительных материалов состоит в уменьшении скорости теплопередачи стальным элементам во время огневого воздействия. При этом средства огнезащиты должны удовлетворять следующим характеристикам:

• Невоспламеняемость, минимальное дымообразование и отсутствие выделения вредных веществ в условиях пожара
• Огнезащитная эффективность, подтвержденная огневыми испытаниями согласно действующим национальным стандартам для однотипных конструкций различных размеров или методиками расчета, согласованными в установленном порядке
• Соответствие используемого для огнезащиты материала нормативным документам (ТУ, ДСТУ, спецификациям и т.д.), в соответствии с которыми он производится
• Длительный срок эксплуатации, основанный на физико-химических характеристиках самого материала и прочности его сцепления с поверхностью стали (при использовании огнезащитных штукатурных покрытий)
• Стойкость покрытия к действию окружающей среды в процессе эксплуатации.

Для предварительной оценки пределов огнестойкости конструкций при проектировании огнезащиты путем обетонирования, облицовки, кирпичной кладки рекомендуется руководствоваться следующими положениями.

По признаку несущей способности:

• Предел огнестойкости нагруженных конструкций уменьшается с увеличением нагрузки. Величину предела огнестойкости конструкций определяет, как правило, сечение с наибольшим значением напряжений, подверженное воздействию пламени и высоких температур
• Предел огнестойкости конструкции тем выше, чем больше значение приведенной толщины конструкции
• Предел огнестойкости статически неопределимых конструкций, как правило, выше предела огнестойкости аналогичных статически определимых конструкций за счет перераспределения усилий на менее напряженные и нагреваемые с меньшей скоростью элементы. При этом необходимо учитывать влияние дополнительных усилий, возникающих вследствие температурных деформаций

По теплоизолирующей способности:

• Предел огнестойкости слоистых ограждающих конструкций принимается равным сумме пределов огнестойкости отдельно взятых слоев. Увеличение числа слоев ограждающей конструкции (оштукатуривание, облицовка) повышает ее предел огнестойкости по теплоизолирующей способности
• Пределы огнестойкости ограждающих конструкций с воздушной прослойкой в среднем на 10% выше пределов огнестойкости тех же конструкций без воздушной прослойки. Эффективность воздушной прослойки тем выше, чем больше она удалена от обогреваемой поверхности
• Пределы огнестойкости ограждающих конструкций с несимметричным расположением слоев зависят от направленности теплового потока. С той стороны, где вероятность возникновения пожара выше, рекомендуется располагать негорючие материалы с низкой теплопроводностью
• Увеличение влажности конструкций способствует уменьшению скорости прогрева и повышению огнестойкости, за исключением тех случаев, когда увеличение влажности увеличивает вероятность разрушения материала

При определении огнестойкости конструкций на основании перечисленных положений необходимо располагать достаточными сведениями о пределах огнестойкости конструкций, аналогичных рассматриваемым по форме, использованным материалам и конструктивному исполнению, а также сведениями об основных закономерностях их поведения при пожаре или огневых испытаниях. В случаях, когда приведенные в данной публикации пределы огнестойкости указаны для однотипных конструкций разного сечения, предел огнестойкости конструкции, имеющей промежуточный размер, допускается определять линейной интерполяцией.

По материалам Промышленное строительство и инженерные сооружения