Введение. IV. Учебно-материальное обеспечение

V. Текст лекции

IV. Учебно-материальное обеспечение

III. Литература, рекомендованная преподавателю

II. Расчет учебного времени

I. Цели и задачи занятия

Проведение лекционного занятия

1.Ознакомить курсантов с исходными сведениями о расчёте пределов огнестойкости строительных конструкций.

2. Воспитывать у курсантов стремление к повышению знаний и профессиональных навыков.

3. Выработать у курсантов чувство ответственности за личную профессиональную подготовку.

№ п/п	План занятия, Учебные вопросы	Время, мин.
	Введение (вступительная часть занятия)
	Основная часть
	Вступление
2.1	Исходные положения методики расчета фактических пределов огнестойкости несущих конструкций.
2.2	Методика расчета фактических пределов огнестойкости металлических несущих конструкций.
2.3	Огнезащита металлических конструкций
	Заключение (заключительная часть занятия)

Основная:

1. Мосалков И.Л., Плюснина Г.Ф., Фролов А.Ю. Огнестойкость строительных конструкций. М.: ЗАО «Спецтехника», 2001.

2. Демёхин В.Н., Михатайкин Е.М. Здания, сооружение и их устойчивость при пожаре: Методические рекомендации по подготовке курсантов к семинарским занятиям. СПб.: СПбУ МВД России, 2000. - 20с.

Дополнительная:

1. Пожарная профилактика в строительстве: Учебник для пожарно-технических училищ/ Грушевский Б.В. и др. - М.: Стройиздат. 1989. -368с.
2. Пожарная профилактика в строительстве./ Под ред. В.Ф. Кудаленкина: Учебник для вузов МВД СССР. М.: ВИПТШ МВД СССР, 1985. 454с.
3. Ройтман М.Я. Пожарная профилактика в строительном деле./ под ред. Н.А.Стрельчука: Учебник для слушателей ВИПТШ МВД СССР. М.: ВИПТШ, 1975. – 526с.
4. Федеральный закон от 22 июля 2008 г. №123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности».

1. Технические средства обучения: интерактивная доска.

2. Демонстрационные: плакаты, иллюстрационные стенды.

П Л А Н Л Е К Ц И И

1. Исходные положения методики расчета фактических пределов огнестойкости несущих конструкций.

2. Методика расчета фактических пределов огнестойкости металлических несущих конструкций

2.1. Статистическая часть

2.1.1. Изгибаемые элементы

2.1.2. Растянутые элементы

2.1.3. Сжатые элементы

2.2. Теплотехническая часть методики расчета

2.2.1. Расчет времени прогрева незащищенных металлических конструкций

2.2.2. Расчет времени прогрева металлических конструкций, покрытых огнезащитным слоем

3. Огнезащита металлических конструкций

3.1. Общие положения

3.2. Термоизолирующие одежды

3.2.1. Облицовка из кирпича

3.2.2. Обетонирование

3.2.3. Оштукатуривание

3.2.4. Облицовка крупноразмерными и рулонными материалами

3.2.5. Облицовка облегченными огнезащитными покрытиями на минеральных вяжущих

3.2.6. Облицовка фосфатными покрытиями

3.2.7. Окраска огнезащитными вспучивающимися красками

3.2.8. Физический механизм огнезащиты в виде термоизолирующих одежд

3.3. Подвесные потолки

3.4. Способы снижения пожарной опасности ограждающих металлических конструкций с полимерными утеплителями

3.4.1. Создание на поверхности утеплителя огнезащитного слоя

3.4.2. Комбинированный утеплитель пониженной горючести

3.4.3. Замена материала утеплителя на менее пожароопасный

3.5. Конструктивные способы огнезащиты

3.5.1. Увеличение толщины поперечного сечения

3.5.2. Заполнение бетоном или водой

3.6. Перспективы совершенствования способов огнезащиты металлических конструкций

ВВЕДЕНИЕ

Фактические пределы огнестойкости металлических конструкций определяют:

- широко применяемых – по таблицам справочного пособия [2];

- новых – путем натурных огневых испытаний;

- расчетным путем.

Исследованиями огнестойкости металлических конструкций занимались у нас в стране: в ВНИИПО МВД РФ Яковлев А.И., а также под его руководством ряд исследователей, в частности Голованов В.И., Малинов В.М. (бывший адъюнкт ВИПТШ МВД РФ), Бережной А.Г. (бывший аспирант МИСИ им. В.В. Куйбышева). Кроме того, ряд исследователей занимаются разработкой огнезащитных средств для металлических конструкций. В частности во ВНИИПО занималась бывший начальник сектора к.т.н., с.н.с. подполковник внутренней службы Левитес Ф.А., в ЦНИИСК им. Кучеренко д.х.н., проф. Романенков И.Г., к.х.н., с.н.с. Ладыгина И.Р. и др.

1. ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ФАКТИЧЕСКИХ ПРЕДЕЛОВ ОГНЕСТОЙКОСТИ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

Высокая теплопроводность металла (у стали λ = 58 Вт/м ⁰С, у алюминиевых сплавов – 200 Вт/м ⁰С) позволяет выполнять расчеты пределов огнестойкости несущих конструкций не по 4-й, а по 2-й расчетной схеме (т. е. не только по снижению несущей способности конструкций до величины усилия от нормативной нагрузки, но и более просто – по определению времени прогрева конструкций до критической температуры - t_cr ). Для определения t_cr во ВНИИПО получены экспериментальные данные об изменении деформативно-прочностных характеристик различных марок стали и алюминиевых сплавов от температур нагрева (рис. 1.1). С такими графиками Вы знакомы из темы № 4 1-го раздела и темы № 11 – 2-го раздела дисциплины.

gyt; g Et

gyt

Рис. 1.1. Характер зависимости коэффициента изменения предела текучести и модуля упругости сталей и алюминиевых сплавов от температуры нагрева.

t

gEt

где R_yt – сопротивление по пределу текучести нагретого металла до соответствующей температуры (t), МПа

R_yn – нормативное сопротивление металла по пределу текучести, МПа;

E_t – модуль упругости металла, нагретого до определенной температуры, МПа;

E_n – начальное значение модуля упругости металла (до нагрева), МПа.

Напоминаю, что эти графики получены экспериментально путем. Изменение механические характеристик металла при нагреве можно представить и в безразмерном виде (рис. 1.2)

Ryt Et

t t t t

а. б. в. г.

Рис. 1.2. Изменение абсолютных и относительных значений величин деформационно-прочностных характеристик металла при нагреве.

В теме № 11 было дано определение t_cr, как температуры, при которой несущая способность конструкций снижается до нормативной нагрузки, т. к. сопротивление металла при нагреве снижается до величины напряжений σ_n от нормативной (рабочей) нагрузки, что является причиной наступления П_ф несущих конструкций (см. рис. 1.2а).

Идея методики расчета сводится к следующему: при решении статической части методики расчета определив величину t_cr конструкции, затем путем решения теплотехнической части задачи огнестойкости определяют время прогрева конструкции до t_cr , т. е. её П_ф.

Следует учесть, что сжатые конструкции (элементы) теряют несущую способность не только в результате снижения прочностных характеристик металла, но и в результате утраты жесткости конструкции (элемента) в связи со снижением модуля упругости металла до предельного (критического) значения.

Если рассматривать графики (см. рис. 1.2) снижения относительных величин деформационно-прочностных характеристик металла при нагреве, то наступление t_cr будет соответствовать снижению γ_yt до γ_ytcr и γ_Et до γ_Etcr, соответственно.

На этом основаны расчетные формулы статической части методики расчета пределов огнестойкости несущих металлических конструкций через коэффициент изменения предела текучести стали при критической температуре нагрева конструкции

2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ФАКТИЧЕСКИХ ПРЕДЕЛОВ ОГНЕСТОЙКОСТИ НЕСУЩИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

2.1. Статическая часть методики расчета

Учитывая, что строительные конструкции и их отдельные элементы под действием внешней нагрузки испытывают различные виды усилий (сжатия, растяжения, изгиба) расчетные формулы это учитывают.

Сущность методики расчета по 2-й расчетной схеме сводится к следующему:

1. При решении статической части задачи огнестойкости конструкции рассчитывают величину γ_tcr.

2. По графикам (таблицам) экспериментальных данных γ_yt = f(t) определяют величину t_cr.

3. Решая теплотехническую часть задачи огнестойкости конструкции определяют время τ = П_ф прогрева строительной конструкции (её элемента) до t_cr.

2.1.1. Изгибаемые конструкции (элементы)

q_n

q_n · l²

M_n =

8

Рис. 2.1. Работа изгибаемого элемента.

где M_n – изгибающий момент от нормативной (рабочей) нагрузки, MHм;

W_{П min} – пластический момент сопротивления конструкции изгибу, м³;

R_yn – нормативное сопротивление металла по пределу текучести, МПа;

σ_n – напряжение от нормативной нагрузки, МПа.

2.1.2. Растянутые элементы

а) центральное растяжение (рис. 2.2)

N_n N_n

Рис. 2.2. Центральное растяжение элемента.

где А – площадь поперечного сечения элемента, м²;

N_n –нормативная нагрузка на конструкцию, МН, ее можно определить по материалам рабочего проекта здания («Архитектурно-строительные решения», раздел «КМ»), либо вычислить, если известна величина расчетной нагрузки на конструкцию (из тех же проектных материалов)

N

N_n =

γ_f

где N – расчетное усилие, МН;

γ_f – коэффициент надежности по нагрузке (приблизительно равен 1,2).

б) внецентренное растяжение (рис. 2.3)

N_n

e

N_n

Рис. 2.3 Внецентренное растяжение.

где е – эксцентриситет приложения нагрузки, м.

2.1.3. Сжатые элементы

Колонны, а также стойки, раскосы, верхний пояс фермы утрачивают несущую способность либо в результате потери прочности (снижения предела текучести) металла при нагреве, либо за счет потери устойчивости - прогиба (из-за наличия эксцентриситета приложения нагрузки, снижения модуля упругости металла при нагреве и роста деформации его температурной ползучести).

Потеря несущей способности элемента по снижению предела текучести металла до нормативных (рабочих) напряжений происходит обычно у стержней с малой и средней гибкостью. Стержни с большей гибкостью утрачивают несущую способность по потере устойчивости.

а) расчет по снижению предела текучести выполняют по формуле (для центрального сжатия)

где φ_t – коэффициент продольного изгиба, зависит от гибкости стержня (λ).

При λ < 40 - φ_t = 1;при λ ≥ 40 - φt = 0,95. Этой величиной в связи с ее малым числовым значением в расчетах часто пренебрегают.

Величину гибкости элемента можно вычислить, если это необходимо, по формуле

,

где l_о = μ l;

l_o – расчетная длина стержня, м;

l – геометрическая длина стержня, м;

μ – коэффициент, зависящий от способа закрепления стержня (рис.)

μ = 1 0,5 0,7 2

шарнир защемление шарнир, защемление

защемление

i – радиус инерции, см

Обычно для стандартных профилей i определяют по сортаменту, для составных профилей – расчетом по указанной формуле.

Y _min – момент инерции (Y = Σ A_i · y_i²) – вычисляют относительно осей - x и y, затем принимают минимальное значение для вычисления - i.

Для внецентренно-сжатого стержня

(2.5)

б) расчет по потере устойчивости выполняют по формуле

(2.6)

Учитывая, что формула (2.6) имеет ограниченные возможности применения, д.т.н., профессором А.И. Яковлевым была разработана методика решения статической части задачи по определению пределов огнестойкости сжатых конструкций, итогом решения которой является определение величины критической температуры элемента металлической конструкции по разности величин пластических деформаций - Δε_п ( Δε_cr, между величиной деформации конструкции, нагретой до t_cr, и величиной деформации конструкции до нагрева, которую она получила от внешней нагрузки), которая в процессе стандартного огневого испытания конструкции достигла критического (предельного) значения. Причем под величиной деформации в данном случае имеется в виду суммарная деформация (упруго-пластическая), которая зависит:

- от развития температурной ползучести металла при нагреве;

- от снижения при нагреве модуля упругости металла.

Рис. 2.5. Изменение относительных деформаций ползучести (e) стали при нагреве в нагруженном состоянии: 1- γ_а = 0,1R_n; 2- γ_а = 0,2R_n; 3 - γ_а = 0,4R_n; 4 - γ_а = 0,5R_n…..

Основой для разработки методики расчета послужила полученная во ВНИИПО серия экспериментальных данных о развитии деформаций стержневых образцов металлов, используемых в строительстве, при нагреве применительно к стандартному температурному режиму в нагруженном состоянии (рис. 2.5). С учетом этого А.И. Яковлевым предложен упрощенный метод расчета для определения величин t_cr с помощью экспериментальных данных [2] стр. 114. При этом чтобы ими воспользоваться, необходимо вначале вычислить критическую (предельную) деформацию ползучести стали - Δε_п:

- для центрально-сжатых стержней

Кроме того, для того, чтобы воспользоваться графиками (рис. 2.5), следует вычислить величину относительного напряжения, возникающего в стержне от нормативной нагрузки (в литературе его обозначают - γа [2]) и называют коэффициентом изменения прочности (предела текучести) стали при нагревании

Определение t_cr является итогом решения статической части задачи огнестойкости металлической несущей конструкции. Её определяют по графикам зависимости:

Кроме того, графики зависимости аппроксимированы в виде эмпирических линейных зависимостей (рис. 2.6), которые с успехом использовали для ручного счета, когда еще не было ЭВМ:

γt

0,6

t

Рис. 2.6 Изменение коэффициента снижения прочностных (предела текучести, прочности) характеристик стали при нагреве (экспериментальная зависимость и ее линейная аппроксимация).

2.2. Теплотехническая часть методики расчета

Как Вам известно из курса теплопередачи, для решения теплотехнической части задачи расчета предела огнестойкости конструкции необходимо задаться начальными условиями (температурой конструкции до стандартного испытания)

t_у,t=0 = t_н,

где t_н - начальная температура (принимают по ГОСТ 30247.0-94) - 1¸40 ⁰С, (в расчетах используют среднее арифметическое значение – 20 ⁰С), а также граничными условиями (взаимодействия окружающей среды при пожаре с конструкцией).

Для расчета могут быть заданы граничные условия следующие:

· 1-го рода: t₀ = f(t), т. е. закон изменения температуры поверхности конструкции - t₀ во время - t стандартного огневого испытания.

· 2-го рода: q_s = f(t), т. е. известен закон изменения величины теплового потока, падающего от огневой камеры испытательной печи на поверхность конструкции.

· 3 рода: t_в = f(t), т. е. известны математические зависимости изменения температуры среды от времени - t стандартного огневого испытания и коэффициенты теплопередачи от огневой камеры испытательной печи к обогреваемой поверхности конструкции (a), от не обогреваемой поверхности конструкции в окружающую среду (a^¢ ).

Чаще всего в инженерной практике пользуются граничными условиями 3-го рода, реже 1-го, и пока еще не пользуются 2-го рода из-за недостаточной научной проработки данного вопроса (хотя такие работы велись в Академии ГПС МЧС России под руководством к. т. н. доцента полковника вн. сл. Измаилова А.-X.С).

Итак, при решении теплотехнической части задачи огнестойкости конструкции применительно к стандартному температурному режиму граничные условия 3 рода записывают так

t_в - температура воздуха в печи изменяется по стандартному температурному режиму

t_в =345lg(8t+1)+ t_н , (2.16)

где t - время, мин;

t_н – начальная температура воздуха (и конструкции), ⁰С.

Коэффициент теплопередачи (a_0, Вт/м×⁰С), который характеризует скорость передачи тепла от нагретой среды огневой камеры печи к поверхности конструкции, вычисляют по формуле

, (2.17)

где t₀ - температура обогреваемой поверхности конструкции, ⁰С.

e_пр - приведенная величина степени черноты системы - «газовая среда огневой камеры печи – материал поверхности конструкции», вычисляют по формуле

(2.18)

где e_в - степень черноты газовой среды в огневой камере испытательной печи (e_в = 0,85);

e_о - степень черноты материала обогреваемой поверхности конструкции.

В формуле расчета (a₀) величина - 2,9 (Вт/м×°С) - конвективная составляющая теплового потока. Остальная часть формулы - математическая интерпретация лучистой составляющей (закон Стефана-Больцмана).

2.2.1. Расчет времени прогрева незащищенных металлических конструкций

При решении теплотехнической части методики расчета пределов огнестойкости стальных конструкций используют граничные условия 3-го рода. При выводе формулы для вычисления температуры конструкции через расчетный интервал времени стандартного испытания на огнестойкость используют уравнение теплового баланса, смысл которого состоит в том, что теплосодержание конструкции повышается на то количество тепла, которое передается от среды пожара к поверхности конструкции (элемента). Уравнение теплового баланса имеет вид

(2.19)

где α_о – коэффициент теплопередачи от среды пожара к поверхности конструкции, Вт /м²С^о;

t_в – температура среды (газов) в огневой камере печи, ^оС;

t_о – температура поверхности конструкции в данный момент времени, ^оС;

S – площадь обогреваемой поверхности конструкции, м²;

Δτ – расчетный интервал времени, с (мин);

С – начальное значение удельной теплоемкости стали, Дж/кг х ^оС;

D – коэффициент, показывающий изменение теплоемкости металла с ростом температуры, Дж/кг ^оС²;

ρ – плотность металла, кг/м³;

V – объем стального элемента, м³;

t _оΔτ – температура конструкции через расчетный интервал времени Δτ, ^оС.

Учитывая, что в расчетах пределов огнестойкости конструкций обычно вводят допущение, что конструкция по высоте нагревается равномерно (см. тему № 11 последний вопрос), можно при выводе расчетной формулы принять высоту элемента единичной, т. е. равной 1 м, тогда

S = U · 1; V = A · 1, (2.20)

где U – обогреваемый периметр поперечного сечения конструкции, м;

А – площадь поперечного сечения конструкции, м ².

Кроме того, для упрощения расчета вводят понятие приведенная к толщине пластины толщина конструкции (элемента)

С учетом отмеченных допущений и после преобразования формулы (2.19) получим формулу для вычисления температуры обогреваемой поверхности конструкции через расчетный интервал времени - t _оΔτ

Расчеты по такой формуле выполняют на ПК. При этом для обеспечения устойчивости счета и повышения точности результатов расчетный интервал времени не должен превышать величины, вычисленной по формуле

(2.23)

Из этой формулы видно, что с ростом температуры стального стержня расчетный интервал времени увеличивается, а с увеличением α_о – уменьшается. Поэтому для определения величины Δτ _мах вычисляют Δτ _мах для начальной и максимально возможной температур; затем из двух полученных величин Δτ_мах в дальнейшем расчете t_оΔτ используют наименьшую величину.

Как следует из уравнения (2.22), температура незащищенных металлических конструкций в процессе нагрева зависит только от одного геометрического параметра - δ_пр. Это позволило сотрудникам ВНИИПО выполнить теплотехнические расчеты на ЭВМ и составить номограмму (рис. 2.7), состоящую из графиков изменения температур во время стандартного нагрева для стальных пластин различной толщины. По этой номограмме можно определить предел огнестойкости конструкций из элементов любого профиля после нахождения их приведенной толщины δ_пр.

Рис. 2.7. Изменение температуры нагрева стальных пластин различной толщины δ_пр.

2.2.2. Расчет времени прогрева металлических конструкций,

покрытых огнезащитным слоем

В связи с малыми значениями пределов огнестойкости металлических конструкций для их повышения конструкции покрывают огнезащитным слоем. В этом случае основные расчетные формулы выводят из уравнения теплового баланса, учитывающего тепловосприятие материалом огнезащитного покрытия.

При наличии покрытия большой толщины, неравномерности толщины покрытия (например, защищенной двутавровой колонны – рис. 2.8) для вычисления температур через расчетные интервалы времени на ПК на поперечное сечение конструкции накладывают расчетную сетку. Затем вычисляют на ПК величины температуры в узлах расчетной сетки по достаточно громоздким формулам.

Рис. 2.8 наложение расчетной сетки на поперечное сечение двутавровой стальной огнезащитной колонны (балки)

В книге [2] с. 124 – 131 приведены номограммы для определения времени прогрева стальных пластин различной толщины, защищенных различными материалами от нагрева. Они получены путем серии расчетов на ЭВМ. На практике ими можно пользоваться не только для оценки предела огнестойкости защищенных стальных пластин, но и конструкций любой конфигурации, предварительно определив их приведенную толщину поперечного сечения. Вывод формул расчета δ_пр для конструкций различного профиля производится на основе уравнения теплового баланса, что представляет определенную сложность. Профессор д.т.н. Яковлев А.И. вывел такие формулы для ряда профилей конструкций, они имеются в литературе [2] и др.

а) для коробчатого поперечного сечения (рис. 2.9)

δ_о

δ_х в

δ_у

а δ_о

Рис. 2.9 Схема коробчатого сечения с облицовкой.

, (2.28)

где с_0.0, с_ст.0 – удельные теплоемкости огнезащитного материала и стали при ⁰ С, Дж/кг⁰ С;

ρ_0.0, ρ _{ст .0} – объемные массы огнезащитного материала и стали при 0 ⁰ С.

В случае сплошного квадратного профиля δ_пр определяется по этой же формуле при δ_х = δ_у = 0,5а;

б) для круглого трубчатого поперечного сечения (рис. 2.10)

где d_н – наружный диаметр стальной трубы, см;

δ_с – толщина стенки, см;

δ_о – толщина облицовки, см.

d_н

δ_о δ_с

Рис. 2.10 Схема для определения приведенной толщины круглого поперечного сечения.

Для сплошного круглого сечения δ_с = 0,5 d_н;

(2.30)

в) для двутаврового профиля (рис. 2.11)

δ _о δ _п

h δ_с

Рис. 2.11. Схема для определения приведенной толщины сечения.

В случае облицовки по контуру приведенная толщина профиля:

- для полки

(2.31)

- для стенки

где δ_п – толщина полки, см;

δ_с – толщина стенки, см.

Представляется, что δ_пр затем следует определять по формуле (2.25).

В случае облицовки двутавра не по контуру, а с воздушным зазором между стенкой и облицовкой, приведенную толщину элемента с небольшой погрешностью вычисляют как для коробчатого сечения (см. формулу 2.25, п. а), принимая:

Небольшая погрешность вычислений возникает за счет не учета термического сопротивления воздушного зазора между стенкой стального элемента и облицовкой, что идет в запас огнестойкости конструкции.

3. ОГНЕЗАЩИТА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

3.1. Общие положения

Огнезащита предназначена для повышения предела огнестойкости конструкции и уменьшения класса ее пожарной опасности (для трехслойных ограждающих конструкций с органическим утеплителем).

Необходимость огнезащиты металлических конструкций вытекает из противопожарных требований №123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности», согласно которым разрешается их применять не защищенными в зданиях до II степени огнестойкости (для отдельных конструкций, например – совмещенных покрытий) только в том случае, если их П_тр = R 15. Такой предел огнестойкости могут обеспечить стальные конструкции с приведенной толщиной поперечного сечения к толщине стальной пластины не менее 1 см, а у большинства применяемых в строительстве конструкций она существенно меньше. Пределы огнестойкости несущих стальных конструкций, как правило, не превышают R 15. У конструкций из алюминиевых сплавов примерно в 2 раза ниже. Учитывая широкую перспективу применения металлических конструкций в современном строительстве, низкие их фактические пределы огнестойкости и высокую пожарную опасность слоистых ограждающих конструкций с органическими утеплителями, проблема их огнезащиты является весьма актуальной.

Повышение пределов огнестойкости стальных конструкций до R 45 требует затрат, составляющих 15% от их стоимости, а при доведении его до R 120 – 30% (при использовании традиционных методов огнезащиты).

Основные средства огнезащиты предлагается разделить на 4 разновидности:

· термоизолирующие одежды;

· специальные огнезащитные экраны (подвесные потолки);

· средства огнезащиты слоистых ограждающих конструкций;

· конструктивные средства огнезащиты.

Выбор средств огнезащиты для каждого конкретного случая и порядок их применения определяют с помощью Рекомендаций по применению огнезащитных материалов и составов для металлических конструкций. /ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко. – М.: 1998. - 60 с. [5]/

Выбор подходящего способа и средства для огнезащиты конструкции производят с учетом конструктивных, эксплуатационных, технологических, технико-экономических и других факторов.

Среди них следующие:

- величина требуемого предела огнестойкости конструкции (П_тр);

- тип защищаемой конструкции и ориентация защищаемых поверхностей в пространстве (колонны, балки и т. п.), например колонну можно защитить путем обкладки кирпичом, что нельзя сделать для стальной балки;

- вид нагрузки, действующей на конструкцию (статическая, динамическая);

- температурно-влажностные условия эксплуатации и производства работ по огнезащите;

- степень агрессивности окружающей среды по отношению к стали;

- увеличение нагрузки на конструкцию за счет массы материала огнезащиты;

- период нанесения огнезащиты (во время возведения здания, в период его реконструкции, либо во время эксплуатации);

- эстетические требования к конструкции;

- технико-экономические показатели и др. Кроме того, защитное средство должно быть не вредным для здоровья людей (животных), не ухудшать физико-механические показатели защищаемых материалов, быть легкодоступным, технологичным и т. п.

Изыскание огнезащитных средств, отвечающих всем этим условиям, - задача исключительно сложная. Во всяком случае пока еще не найдено ни одного такого средства. Однако чем больше то или иное огнезащитное средство удовлетворяет отмеченным требованиям, тем больше оно найдет применение [6]. В работе [6] - табл. 1.2 приводятся виды и области применение огнезащитных средств.

Итак, рассмотрим несколько подробнее конструктивную сторону и некоторые особенности конкретных способов огнезащиты, входящих в перечисленные группы, начиная с I-й – термоизолирующих одежд.

3.2. Термоизолирующие одежды

Это наиболее широкая группа способов и средств огнезащиты металлических и других конструкций, рассмотрим основные из них.

3.2.1. Облицовка из кирпича

Облицовку из кирпича применяеют для защиты стальных колонн. Толщина облицовки может быть в четверть кирпича (6,5 см), полкирпича (12 см), кирпич (25 см) с учетом размеров кирпича (250х120х65); при дополнительном оштукатуривании толщина защитного слоя соответственно увеличится. Кирпич применяют как сплошной, так и пустотелый (с отверстиями – эффективный). Облицовка может быть армирована стержнями продольными и поперечными. Огнезащитную облицовку из кирпичной кладки применяют в тех случаях, когда предъявляются повышенные требования к пределу огнестойкости колонн (П_тр = R 120) и их несущей способности.

Для горизонтальных конструкций кирпичную кладку не используют, а применяют другие виды огнезащиты.

3.2.2. Обетонирование

Обетонирование состоит в создании наружного огнезащитного слоя на поверхности металлической конструкции. Этот способ рационален, если предусматривают одновременно необходимость усиления (повышения несущей способности) колонн, например, при реконструкции здания. При толщине слоя бетона более 50 мм требуется дополнительной его армирование.

3.2.3. Оштукатуривание

Оштукатуривание применяют для огнезащиты несущих горизонтальных конструкций (балок, прогонов) и вертикальных (колонн [7] с 118, [6] с.123).

Цементно-песчаные штукатурки, поскольку они изготовлены на гидравлическом связующем, могут применяться не только для огнезащиты внутренних, но и наружных конструкций. Однако высокая трудоемкость нанесения этой штукатурки на поверхность конструкции, а также необходимость их армирования стальными сетками, ограничивает применение этого вида огнезащиты.

В последние годы применяют штукатурку цементно-песчаную, но с пористыми заполнителями: перлита, вермикулита, керамзита и др. (материалы типа легкого бетона) ρ _о = 200-1000 кг/м³. Причем по мере снижения ρ _о теплопроводность штукатурки уменьшается, что повышает её эффективность.

В качестве связующего для штукатурки помимо портландцемента применяют строительный гипс, жидкое стекло, известь. Выбор связующего обусловлен влажностными условиями работы конструкций. Так, для конструкций, работающих в помещении (влажность φ в = 60%), можно использовать штукатурки на основе извести, гипса, жидкого стекла, а для наружных конструкций их использовать нельзя, используют портландцемент.

3.2.4. Облицовка крупноразмерными листовыми

и рулонными материалами

Материалы могут быть как жесткими, так и мягкими рулонными. Для облицовки применяют крупноразмерные листы гипсокартонные, гипсоволокнистые, асбестоцементные и минераловатные плиты.

Гипсокартонные (ГКЛ) и гипсоволокнистые (ГВЛ) листы состоят из слоя гипса (ρ _о=800-1150 кг/м³) и облицованы с обеих сторон бумажным картоном толщиной 0,5 - 0,7 мм. ГВЛ армированы бумажным волокном.

Цементно-стружечные плиты (ЦСП) - из древесных частиц, портландцемента, химических добавок и воды.

3.2.5. Обмазка облегченными огнезащитными покрытиями

на минеральных связующих

В качестве связующих в этих покрытиях часто используют растворимое стекло (водный раствор силиката натрия или калия). При высоких температурах оно способно вступать в химическую реакцию с кремнеземом и другими оксидами, входящими в состав заполнителей, с образованием жаростойких соединений. Огнезащитные покрытия на основе жидкого стекла обладают высокой адгезией к различным материалам – это их достоинство.

Недостатки покрытий:

- высокая хрупкость;

- претерпевают значительную усадку при высыхании после увлажнения;

- способны отслаиваться от материала;

- требуют высокого расхода материалов;

- имеются технологические трудности нанесения на вертикальные и потолочные конструкции.

В огнезащитных покрытиях на основе растворимого стекла используют волокнистые и пористые заполнители, в частности:

подвергнутые интенсивному высокотемператур-ному нагреву природные каменные материалы

- вспученный перлит

- всученный вермикулит

3.2.6. Обмазка фосфатными покрытиями

Покрытия эти получили широкое распространение. Они содержат фосфаты (соединения, содержащие фосфор), которые могут выполнять роль связующего, отвердителя, антипирена. Фосфатные покрытия обладают высокой сопротивляемостью тепловым воздействиям. Их наносят на поверхность конструкций индустриальными методами и применяют для огнезащиты стальных конструкций (колонн, балок, связей, узлов сопряжения), расположенных внутри помещений.

Огнезащитные фосфатные покрытия (ОФП) бывают следующих видов, например, в последние годы в СПб. получило применение покрытие ОФПМ-12 (разработчик ООО «Терминерал».

3.2.7. Окраска огнезащитными вспучивающимися покрытиями

Вспучивающиеся покрытия являются перспективным огнезащитным средством, т. к. обеспечивают возможность повышения предела огнестойкости несущих металлических конструкций R 45 и выше, характеризуется простой технологией нанесения краски на конструкцию. Их наносят небольшим слоем, в котором при высоких температурах пожара происходит сложный физико-химический процесс превращения этого тонкого слоя в толстый теплоизоляционный слой, т. к. выделяющиеся негорючие газы вспучивают покрытие, превращая его в твердый расплав из пеноизоляции.

Вспучивающиеся краски обычно состоят из следующих основных компонентов:

- связующего (неорганического, либо органического);

- вспучивающего компонента;

- наполнителя;

- антипирена (при органическом связующем);

- пигмента (красителя);

- добавок (стабилизаторов).

Разработано довольно большое количество разнообразных вспучивающихся красок на основе минеральных и органических связующих. В настоящее время в СПб. получили наиболее широкое применение покрытия марок ОЗК-45, S-607, Unitherm.

При использовании вспучивающихся красок важно строго соблюдать их рецептуру, технологию нанесения на конструкцию и очистки их от коррозии.

В заключение рассмотрения термоизолирующих одежд обратите внимание на таблицу, показывающую какой толщины необходимо создать огнезащитный слой, чтобы удовлетворить требованиям к конструкциям по огнестойкости (взята из книги [6] и слегка подкорректирована).

Виды термоизолирующих одежд и их эффективность

№	СПОСОБ ОГНЕЗАЩИТЫ	ρ о кг/м3	Толщина огнезащитного покрытия для обеспечения (Пф ≥ Птр), R (мин):	λ Вт/м 0С
	Обетонирование		-	-	-			0,98
	Обкладка кирпичом		65*	65*	65*		120*	0,71
	Облицовка ГКЛ (ГВЛ)		25*	25*	37,5*	37,5*		0,42
	Обмазка ЦПШ							0,13
	Вспучивающиеся покрытия: ОЗК-45, S-607; Unitherm		1,1 1,0	-	-	-	-	-

*Примечание: Толщина огнезащитного слоя обусловлена конструктивными особенностями материала (изделия) облицовки.

3.2.8. Физический механизм (эффективность) огнезащиты с помощью

теплоизолирующих одежд

Эффективность огнезащиты обеспечивается следующим:

- замедление прогрева - ввиду малой теплопроводности материала одежды (высокой их пористости) либо большой толщины слоя огнезащитного материала (относится к облицовкам из кирпича, бетона, штукатурки, листовым и плиточным материалам);

- замедлением прогрева облицовок из бетона, штукатурки, асбестоцемента и других материалов, изготовленных на основе минеральных вяжущих веществах, вследствие затрат части тепла на испарение физически связанной влаги из пор материала и удаление химической связанной воды из его состава;

- замедление прогрева, связанное с тем, что при тепловом воздействии на материал происходящие в нем физико-химические процессы привели к структурным его изменениям, существенно повысившим пористость материала, а следовательно, снизили его теплопроводность, что характерно с увеличением толщины слоя – для вспучивающихся покрытий;

- замедление прогрева металла ввиду наличия зазора (воздушной прослойки с малым λ = 0,023 Вт/м ^оС) между металлом и покрытием.

3.2.9. Определение групп эффективности огнезащитных составов

для несущих стальных конструкций

Она регламентируется НПБ 236-97 [14] и определяется путем специального огневого испытания.

Сущность метода состоит в определении огнезащитной эффективности покрытия при тепловом воздействии на опытный образец и определении времени от начала теплового воздействия до наступления времени наступления предельного состояния этого образца в соответствии с требованиями НПБ 236-97 [14].

Согласно НПБ 236-97 [14] в зависимости от времени прогрева защищенного стального образца-колонны (высотой 1,7 м из двутавра № 20) до усредненной критической температуры – 500 ⁰С при сертификационных огневых испытаниях по эффективности огнезащитные составы (краски, покрытия) подразделяют на 5 групп. При этом образцы (2-3) должен выдержать нагревание в течение не менее:

1-я группа огнезащитной эффективности – 150 мин;

2 – 120 мин;

3 – 60 мин;

4 – 45 мин;

5 – 30 мин.

Испытания проводят в специальной печи, обогревают образец с 4-х сторон по стандартному температурному режиму без нагружения образца.

Кроме того, одновременно с испытанием на образце – конструкции следует проводить контрольные лабораторные испытания на образце – пластине квадратной формы с размерами сторон 600 мм, толщиной 5 мм, с негорючей подложкой из теплоизоляционного материала толщиной 100 мм.

При этом следует иметь в виду, что НПБ 236-97 [14] не распространяются на определение П_ф стальных конструкций (их определяют по ГОСТ 30247.1-94, см. тему № 11).

Согласно п. 4.4 [14] применение огнезащитных средств должно осуществляться в соответствии с технической документацией, сертификатом пожарной безопасности и специально разработанном для конкретного объекта проектом проведения огнезащитных работ и утвержденном и согласованном в установленном порядке – СНиП 11-01-95 [15].

Сертификат пожарной безопасности должен содержать следующие сведения:

· название огнезащитного состава;

· группу огнезащитной эффективности;

· виды, марки, толщины слоев грунтовых, декоративных или атмосфероустойчивых лакокрасочных покрытий, используемых в комбинации с указанным средством огнезащиты при сертификационных испытаниях;

· толщину огнезащитного покрытия и расхода огнезащитного состав для установления группы огнезащитной эффективности.

Испытания по определению огнезащитной эффективности должны проводить специализированные организации, имеющие соответствующую аккредитацию.

Не допускается их применять на объектах защиты, расположенных в местах, исключающих возможность замены или реставрации покрытия после истечения гарантийного срока его огнезащитного действия, либо преждевременного повреждения защитного слоя.

3.3. Подвесные потолки

Они чаще всего предназначены для декоративных целей, для прокладки над ними различных коммуникаций и для повышения пределов огнестойкости несущих металлических конструкций. Подвесные потолки являются конструктивно-функциональными элементами. Применяют их для огнезащиты перекрытий и совмещенных покрытий со стальными несущими конструкциями.

Подвесные потолки обычно выполняют из стального каркаса и обшивки из различных материалов, таких как ГКЛ, минераловатные плиты - армстронг и др.

При пожаре они защищают эти конструкции от непосредственного воздействия огня и высокой температуры, повышая их предел огнестойкости не менее чем до - R 30.

Степень повышения пределов огнестойкости несущих металлических конструкций перекрытия или покрытия будет зависеть и от величины предела огнестойкости конструкции самих подвесных потолков.

Огнезащитный эффект от подвесного потолка создается за счет

- образования воздушного пространства между потолком и защищаемой конструкцией (воздух имеет λ = 0,023 Вт/м С^о);

- за счет поглощения части тепла массой материала подвесного потолка;

- за счет малой теплопроводности материалов облицовок подвесного потолка;

- за счет отражения части тепла облицовкой потолка (особенно в начальной стадии пожара, когда материал еще не закопчен).

3.4. Способы снижения пожарной опасности ограждающих

металлических конструкций с полимерными утеплителями

3.4.1. Создание на поверхности утеплителя огнезащитного слоя

Так, например, плиты из фенолформальдегидного пенопласта покрывают стеклохолстом или стеклотканью. Один или несколько слоев стеклохолста с помощью жидкого стекла наклеивают на поверхность плит. Такое конструктивное решение исключает воспламенение и ограничивает класс пожарной опасности конструкции.

Огнезащитный эффект достигается за счет того, что материал огнезащитного слоя:

- является негорючим;

- ввиду малого коэффициента теплопроводности требует затраты дополнительного времени на прогрев;

- выполняет в определенной мере функцию огнепреградителя;

- препятствует доступу кислорода и выхода продуктов разложения защищаемого утеплителя.

3.4.2. Комбинированный утеплитель пониженной горючести

Например, он может состоять из негрючего и горючего материалов. В качестве негрючего используют минеральную вату. В качестве горючего, например, пенополиуретан. При изготовлении утеплителя исходную полиуретановую композицию заливают в объем минераловатной плиты и вспенивают ее. В результате получают композиционный утеплитель пониженной пожарной опасности.

3.4.3. Замена материала утеплителя на менее пожароопасный

С целью огнезащиты производят замену горючих утеплителей на негорючие, а где это возможно, - на менее горючие. Кроме того, такие материалы должны обладать более низкими и другими показателями пожарной опасности:

- воспламеняемости;

- дымообразующей способности;

- токсичности продуктов горения.

3.5. Конструктивные способы огнезащиты

Часть таких способов огнезащиты мы уже рассмотрели (обетонитование, оштукатуривание, облицовка листовыми и рулонными материалами, обкладка кирпичом).

3.5.1. Увеличение толщины поперечного сечения

В отдельных случаях обеспечение нормативного предела огнестойкости П_тр = R 30 можно достигнуть путем подбора элементов металлических конструкций повышенной толщины поперечного сечения. Огнезащитный эффект при этом достигается за счет повышения теплоемкости конструкции, а следовательно и замедление её прогрева, но этот способ защиты не экономичен, поэтому его практически не применяют.

3.5.2. Заполнение полости конструкции бетоном, либо водой

Повышение предела огнестойкости конструкции замкнутого поперечного сечения можно обеспечить путем заполнения его бетоном (железобетоном – в этом случае при пожаре конструкция будет работать практически как железобетонная), либо охлаждения изнутри полой конструкции водой (как это делают за рубежом, например в США) для тонкостенных и высоконагруженных конструкций. В этом случае огнезащитный эффект также достигается за счет повышенной теплоемкости охлаждающего материала.

3.6. Перспективы совершенствования способов

огнезащиты металлических конструкций

1. Совершенствование огнезащитных материалов и составов для МК.

2. Разработка более совершенных конструктивных способов огнезащиты (например, вынос каркаса за габариты стен).

3. Разработка рулонных огнезащитных материалов.

4. Создание огнезащитных листовых материалов, обладающих способностью вспучиваться.

5. Использование эффективных методов защиты с заполнением полостей конструкций (их элементов) теплоемкими материалами.

6. Разработка более эффективных видов огнезащитных подвесных потолков.

7. Совершенствование использования водяных завес для огнезащиты металлических конструкций.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ, ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ПРИ ПОДГОТОВКЕ ЛЕКЦИИ

1. Яковлев А.И. Методика расчета пределов огнестойкости металлических конструкций. – Вн: Огнестойкость строительных конструкций. – Сб. тр., вып 8. – М.: ВНИИПО МВД СССР, 1980, с. 15 - 27.

2. Яковлев А.И. Расчет огнестойкости строительных конструкций. – М.: Строиздат, 1988.

3. Беляев А.В., Вязигин В.Г., Демёхин В.Н., Крейтор В.П., Михатайкин Е.М. Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре: Учебная программа по специальности 330400 – Пожарная безопасность. – СПб.: Санкт-Петербургский институт ГПС МЧС России, 2003. – 32 с.

4. Демёхин В.Н., Мосалков И.Л., Плюснина Г.Ф., Серков Б.Б., Фролов А.Ю., Шурин Е.Т. Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре: Учебник для слушателей и курсантов пожарно-технических образовательных учреждений МЧС России /Под ред. И.Л. Мосалкова. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2003. – 656 с.

5. Рекомендации по применению огнезащитных материалов и составов для металлических конструкций. ЦНИИСК им В.А. Кучеренко – М: 1988 – 60 с.

6. Романенков И.Г., Левитес Ф.А. Огнезащита строительных конструкций. – М.: Строиздат 1981 – 321 с.

7. Ройтман М.Я. Пожарная профилактика в строительном деле: Учебник для слушателей ВИПТШ МВД СССР. – М.: РИО ВИПТШ, 1975. – 526 с.

8. Пожарная профилактика в строительстве. /Под ред. В.Ф. Кудаленкина: Учебник для вузов МВД СССР. – М.: ВИПТШ МВД СССР, 1985. - 454 с.

9. Ройтман М.Я. Противопожарное нормирование в строительстве. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат 1985. – 591 с.

10. Бушев В.П., Пчелинцев В.А., Федоренко В.С., Яковлев А.И.