Тема 6. Вогнестійкість будівельних конструкцій

1. Вогнестійкість будівельних конструкцій, будівель і споруд

Технічні рішення в частині пожежної безпеки реалізуються на стадії проектування і будівництва різних об'єктів, зокрема підприємств торгівлі і громадського харчування, баз і складів. При цьому для зменшення небезпеки виникнення і розповсюдження пожеж важливе значення має правильний вибір будівельних матеріалів і конструкцій. За здатністю до спалаху вони підрозділяються на три групи: негорючі, важкогорючі і горючі.

Вогнестійкістю будівельних конструкцій називається їх здатність зберігати несучі і захисні функції в умовах пожежі. Межа вогнестійкості будівельної конструкції – це період часу (у годинах) від початку випробування її дією вогню або високої температури до появи однієї з наступних ознак:

а) утворення в конструкції наскрізних тріщин;

б) підвищення температури на поверхні конструкції, яка не обігрівається, в середньому більш ніж на 160°С або в будь-якій точці цієї поверхні більш ніж на 190°С порівняно з температурою конструкції до випробування;

в) втрата конструкцією несучої здатності.

Від ступеня займистості і межі вогнестійкості основних будівельних конструкцій залежить ступінь вогнестійкості будівель і споруд. Всі будівлі і споруди за вогнестійкістю підрозділяються на вісім ступенів: I, ІІ, III, ІІІа, ІІІб, IV, IVa, V.

Найвищі межі вогнестійкості основних будівельних конструкцій в будівлях і спорудах I-го ступеня вогнестійкості; у будівлях і спорудах кожного наступного ступеня вогнестійкості вони нижчі.

Згораючі частини будівель і споруд не мають межі вогнестійкості. Ступінь вогнестійкості будівель і споруд залежить, згідно вимог ДБН В.1.1-7:2016, від категорії пожежної небезпеки виробництва, кількості поверхів і величини допустимої площі підлоги між протипожежними стінами.

Цехи і відділення виробництв категорій А і Б дозволяється розташовувати тільки в приміщеннях I і ІІ ступеня вогнестійкості. Будівлі, наприклад, складів цукру в разі зберігання його в тарі мають бути не нижче III, а для безтарного зберігання – не нижче ІІ ступеня вогнестійкості. Велику кількість сірників допускається зберігати в окремих складах не нижче Ш ступеня вогнестійкості. Спиртосховища слід розміщувати в поглиблених будівлях II ступеня вогнестійкості.

Одноповерхові складські будівлі зі стелажами заввишки від 5,5 до 25 м слід проектувати ІІ ступеня вогнестійкості з ліхтарями або витяжними шахтами на покрівлі для видалення диму.

Особливо небезпечні та небезпечні речовини і матеріали слід зберігати в складах I або ІІ ступеня вогнестійкості. Склади особливо небезпечнихречовин і матеріалів рекомендується розміщувати в окремих будівлях. Малонебезпечні речовини і матеріали можна зберігати в приміщеннях всіхступенів вогнестійкості (окрім V), безпечні – в приміщеннях або на майданчиках будь-якого типу.

2. Способи вогнезахисту

Для підвищення ступеню вогнестійкості сталевих конструкцій до нормованих значень сьогодні застосовуються наступні способи вогнезахисту: тепловідведення та теплоізоляція.

Спосіб тепловідведення полягає в охолодженні пустотних сталевих конструкцій циркулюючою рідиною або заповнення пустотних колон бетоном.

Водою заповнюють трубчаті або інші пустотні конструкції, які мають герметичні властивості і розраховані на додаткові напруження від гідравлічного тиску води.

Теплоізоляція забезпечується нанесенням теплоізолюючого матеріалу на конструкцію. Це може бути вогнезахисна штукатурка, реактивна вогнезахисна фарба або мінеральні плити.

Рис. 6.1. Способи вогнезахисту сталевих несучих конструкцій

Вологий спосіб включає в себе протипожежну ізоляцію, яка використовує напилювальні мінеральні матеріали з неорганічними в’яжучими, вогнезахисні штукатурки, вогнезахисні реактивні фарби та покриття.

Вогнезахисні напилювальні мінеральні матеріали з неорганічними в’яжучими частіше всього застосовують у вигляді цементно-перлітових, цементно-вермикулітових, гіпсоперлітових та гіпсовермикулітових складів, які мають високу адгезійну властивість до металевих та бетонних поверхонь. Густина таких матеріалів складає 240-400 кг/м3.

Такі склади наносять на поверхню конструкцій механізованим способом. Товщина вихідного покриття складає 10-60 мм, в залежності від необхідного ступеня вогнезахисту конструкції.

Вогнезахисні штукатурки призначені для підвищення межі вогнестійкості різних будівельних конструкцій, таких як колони, балки, в'язі, стики і вузли, які використовуються на цивільних і промислових об'єктах різного призначення, в тому числі на об'єктах енергетики (теплові та атомні електростанції), об'єктах газової та нафтової промисловості, а також металургійних виробництвах під час їх будівництва, реконструкції або ремонту. Цей вогнезахисний матеріал здатний підвищити межу вогнестійкості несучих сталевих конструкцій до 240 хвилин.

Вогнезахисні штукатурки складаються з цементно-піщаного розчину. Склад розчину наступний: пісок та цемент марки не нижче 400 із співвідношенням 1 :4.5. Штукатурки поставляються у вигляді сухої суміші, яку необхідно змішати з водою безпосередньо перед застосуванням, та наноситься на поверхню конструкції, яку необхідно захистити, для утворення вогнезахисного шару. Такий шар (покрив) відносять до пасивних товстошарових вогнезахисних засобів, які захищають будівельні конструкції від дії високих температур під час пожежі за рахунок теплоізоляційних властивостей.

Товщина шару покриву визначається в залежності від приведеної товщини металу та необхідного класу вогнестійкості окремої конструкції. Штукатурка не є одночасно антикорозійним захистом, тому перед нанесенням штукатурки металеві конструкції необхідно обробити захистом від корозії. Також для підвищення стійкості до вологи та до дії агресивних середовищ та інших можливих зовнішніх чинників рекомендується після повного висихання штукатурки нанести захисні лакофарбові матеріали з попередньою обробкою поверхонь грунтовими засобами глибокого проникнення.

Вогнезахисна обробка штукатуркою полягає в нанесенні на підготовлену поверхню сталевих конструкцій антикорозійної грунтовки, адгезійної грунтовки та захисного лакофарбового покриття.

Одним із вологих способів вогнезахисту є оббетонування металевих конструкцій. Цей спосіб рекомендується у випадку, якщо процес оббетонування необхідний також для підсилення металевих конструкцій. Використовується в основному для вогнезахисту колон.

Рис. 6.2. Вогнезахист сталевих двотаврових колон оббетонуванням:
1 – захист по контуру перерізу колони;
2 – захист у вигляді коробчастого перерізу;
3 – захист у вигляді заливки перерізу бетоном

Вогнезахисні фарби призначені для підвищення вогнестійкості різних будівельних конструкцій, що використовуються на цивільних і промислових об'єктах різного призначення, включаючи об'єкти енергетики (теплові та атомні електростанції), об'єкти газової та нафтової промисловості, а також металургійні об'єкти під час їх будівництва, реконструкції або ремонту. Цей вогнезахисний матеріал здатний підвищити межу вогнестійкості несучих сталевих конструкцій до 120 хвилин.

Вогнезахисні реактивні фарби та покриття складаються з антипіренів, коксо- та газоутворювачів, наповнювачів у розчині полімеру в органічному розчиннику. Під впливом високих температур від пожежі вогнезахисний покрив створює теплоізоляційний спінений коксовий шар, який захищає конструкції від дії вогню. Вогнезахисна фарба відноситься до реактивних тонкошарових вогнезахисних виробів. Товщина шару покриву визначається в залежності від необхідного класу вогнестійкості сталевих конструкцій, зведеної товщини та проектної критичної температури конструкцій.

Вогнезахисні фарби після нанесення утворюють на поверхні захищеної конструкції тонкий непрозорий шар, ефективність якого заснована на ефекті спучування при досягненні відповідного рівня температури. При досягненні цього рівня товщина шару збільшується в 10-40 разів. Цей тип вогнезахисту наносять на поверхню сталевих конструкцій тонким шаром товщиною до 2 мм. При температурі 170-200°С фарба спучується, утворюючи пористий теплоізоляційний шар. Завдяки низькій теплопровідності пористий шар запобігає швидкому нагріванню елементів. Застосування реактивних фарб забезпечує збільшення ступеню вогнестійкості конструкцій до 120 хв.

Сухий спосіб нанесення вогнезахисту включає в себе укладання протипожежної ізоляції у вигляді вогнезахисних мінераловатних, базальтових або перліто-вермикулітних плит. Також можливе використання вогнезахисту у вигляді шкарлуп з армованих бетонних плит, які було виготовлено заздалегідь.

Дані плити призначені для підвищення межі вогнестійкості конструкцій різного призначення, в тому числі цивільних (склади, офіси, торгівельні центри), промислові та енергетичних споруд, а також споруд нафтогазової промисловості. Цей вогнезахисний матеріал здатний підвищити межу вогнестійкості несучих сталевих конструкцій до 180 хвилин.

Найбільш розповсюдженим є варіант перліто-вермикулітних плит. Ці плити виготовляють методом пресування перліту, вермикуліту та силікатного в’яжучого. Плити закріплюються до поверхні захищеної конструкції за допомогою спеціального термоклею та скріпляються між собою металевими скобами. Для забезпечення максимального ступеню вогнезахисту та зменшення теплового впливу на конструкцію, рекомендується залишати між вогнезахисною плитою та конструкцією повітряний прошарок.

Рис. 6.3. Схема вогнезахисту сталевих конструкцій за допомогою плит

Вогнезахисні плити відносяться до того ж самого класу, що і вогнезахисні штукатурки – пасивні товстошарові вогнезахисні засоби, які захищаються будівельні конструкції від високотемпературних впливів за рахунок теплоізоляційних властивостей.

Для закріплення таких плит на конструкції використовують металеві скоби або саморізи, а для герметизації щілин використовуються спеціальний термостійкий клей.

Товщина шару вогнезахисних плит визначається в залежності від необхідного класу вогнестійкості сталевих конструкцій, зведеної товщини та проектної критичної температури конструкцій.

Область застосування того чи іншого варіанту вогнезахисту визначається з урахуванням:

• необхідного ступеню вогнезахисту конструкції;
• типу конструкції, що необхідно захистити (колони, балки, ригелі, в’язі);
• виду та величини навантаження, яке діє на конструкцію;
• температурно-вологих умов експлуатації та проведення робіт по влаштуванню вогнезахисту;
• ступеню агресивності оточуючого середовища до вогнезахисного матеріалу а також ступеню агресивності матеріалу вогнезахисту по відношенню до матеріалу конструкції;
• збільшене навантаження на конструкцію від вогнезахисту;
• умов монтажу вогнезахисту (під час зведення будівлі або її реконструкції);
• експлуатаційних умов будівлі (токсичності вогнезахисних матеріалів);
• естетичних вимог до конструкцій.

3. Методи оцінки межі вогнестійкості

Експериментальні методи

Випробування на вогнестійкість сталевих конструкцій з вогнезахистом виконуються відповідно до ДСТУ Б В.1.1-4-98 «Захист від пожежі. Будівельні конструкції. Методи випробувань на вогнестійкість. Загальні вимоги» та ДСТУ EN 1363-1:2023 «Випробування на вогнестійкість. Частина 1. Загальні вимоги (EN 1363-1:2020, IDT)».

У відповідності до цих нормативних документів, несучі будівельні конструкції мають випробовуватись під навантаженням. Розподіл навантаження і умови спирання повинні відповідати розрахунковим схемам, які були прийняті в технічній документації. Навантаження для випробування встановлюють з умов створення в розрахункових перерізах зразків конструкції напружень, які відповідають їх проектним значенням або технічній документації. При визначенні проектних значень напружень необхідно враховувати лише постійні та тимчасово тривалі навантаження в їх розрахункових значеннях з коефіцієнтом надійності рівним 1.

Випробування на вогнестійкість сталевих балок з вогнезахистом під впливом навантаження проводять в спеціальних горизонтальних печах.

Футерування печі виконано з вогнестійкої цегли з шамотним наповнювачем, укладеного на суміш цементного розчину з шамотною глиною. Конструкція кладки печі забезпечує стабільність температурного режиму, задану теплову інерцію, можливість установлення зразків, кріплення устаткування і пристосувань. Установка обладнана пристроєм для вимірювання прогинів. Навантаження здійснюється вантажами за допомогою кран-балки, згідно з розрахунковою схемою. Регульований пристрій системи димових газів із вогневого простору печі повинен забезпечувати надлишковий тиск.

Основні технічні характеристики установки:

1. Розміри вогневої камери:
   • Довжина – 5800 мм;
   • Ширина – 2800 мм;
   • Висота – 800 мм;
   • Загальний об’єм вогневої камери – 13.0 м3;
2. Кількість форсунок – 8 шт.;
3. Температурний режим визначається за ДСТУ Б В.1.1-4-98 [5];
4. Надлишковий тиск у вогневій камері – 10 ± 2 Па.

Контроль температурного режиму а також температури конструкції здійснюється за допомогою реєструючих приладів та розміщених по периметру та довжині зразка термопар. Замір прогинів в балці виконується спеціальним приладом.

Рис. 6.4. Приклад схеми розміщення термопар на навантаженій балці

Принцип роботи установки полягає в створенні температурного режиму, яке відповідає стандарту пожежі. Температурний режим встановлюється відповідно ДСТУ Б В.1.1-4-98. Температура в печі визначається по наступній залежності:

де
t_a,t - температура середовища, що нагрівається, ⁰С;
τ – час, хв,
t_н – початкова температура середовища, що нагрівається, ⁰С.

Температурний вплив на піддослідний зразок, навантажений нормативним навантаженням (N_n), призводить до прогину зразка і втраті його несучої здатності. Суть експериментального методу полягає у визначенні часу втрати несучої здатності (R) в результаті обвалення або досягнення граничних деформацій в балці, що випробується. Час, за який зразок вичерпує свою несучу здатність називається ступенем вогнестійкості.

Експериментальний метод оцінки вогнестійкості сталевих конструкцій є дуже точним, тому що дозволяє змоделювати умови прогрівання будівельних конструкцій максимально наближені до реальної пожежі. Також даний метод дозволяє визначити теплоізоляційні властивості вогнезахисних матеріалів. Проте експериментальні дослідження мають низку недоліків:

• розмір зразків, на яких проводиться випробування, обмежений габаритом випробувальних установок;
• нестабільність температурного режиму;
• вплив на вогнестійкість сторонніх факторів, які присутні при випробуваннях (вологість, тиск, рух повітря тощо);
• при випробуваннях отримуються дані лише про поведінку конкретного зразка. Дуже складно, а іноді неможливо використовувати результати випробувань в інших випадках;
• велика трудомісткість і вартість досліджень.

Аналітичні методи

За останні роки аналітичні методи оцінки вогнестійкості будівельних конструкцій а також їх розрахунків під впливом високих температур значно розвинулись. Дані методи отримали стрімкий розвиток завдяки накопиченню великої кількості інформації, досвіду та проведенню низки досліджень в нашій країні та за кордоном. Тому разом з експериментальними методами актуальними стають аналітичні методи оцінки вогнестійкості сталевих конструкцій.

В чинних нормативних документах детально описані спрощені методи розрахунку сталевих конструкцій на вогнестійкість, а уточнені методи не розглядаються. Вітчизняні та європейські нормативні документи описують лише принципи проектування, що лежать в основі уточнених методів. У відповідності до цих методів вогнестійкість несучих сталевих конструкцій оцінюється за ознакою втрати несучої спроможності в нагрітому стані, тобто оцінюється критична температура, при якій конструкція втрачає стійкість або несучу здатність.

Розрахунок складається з двох частин: статичний та теплотехнічний. Статична частина полягає в обчисленні величини критичної температури конструкції, при якій наступає її межа (границя) вогнестійкості.

Теплотехнічна частина розрахунку полягає у встановленні безпосередньої величини ступеню вогнестійкості конструкції, тобто часу її прогрівання до критичної температури.

Розрахунок вогнестійкості конструкції має враховувати наступні етапи:

• вибір відповідних проектних сценаріїв пожежі;
• визначення відповідних температурних режимів;
• розрахунок підвищення температури в будівельних конструкціях;
• розрахунок механічної роботи конструктивної системи в умовах пожежі.

Важливим етапом розрахунку вогнестійкості конструкції є визначення температурного режиму пожежі, який визначає температурно-часову залежність розвитку пожежі. Серед температурних режимів розрізняють номінальні та параметричні.

Для номінальних температурних режимів характерний усталений режим розвитку пожежі. Серед номінальних режимів пожежі розрізняють:

• стандартний температурний режим;
• температурний режим зовнішньої пожежі;
• температурний режим вуглеводневої пожежі.

Стандартний температурний режим пожежі характеризується залежністю температури від часу, яка відображає сценарій пожежі, що відбувається в пожежному відсіку.

Стандартний температурний режим визначається за формулою:

де
θ_g - температура середовища, що нагрівається, ⁰С;
t – час, хв,

Коефіцієнт конвективного теплообміну становить α_c = 25, Вт/м2*К.

Графічне зображення температурно-часової залежності стандартного режиму пожежі показано на рисунку нижче.

Рис. 6.5. Графік стандартного режиму пожежі

Температурний режим зовнішньої пожежі створює більш жорсткі умови, ніж випробування за стандартних температурних умов. Ця температурно-часова залежність використовується для визначення межі вогнестійкості огороджувальних конструкцій.

Температурний режим зовнішньої пожежі визначають за формулою:

де
θ_g - температура середовища, що нагрівається, ⁰С;
t – час, хв,

Коефіцієнт конвективного теплообміну становить α_c = 25, Вт/м2*К.

Графічне зображення температурно-часової залежності температурного режиму зовнішньої пожежі на рисунку нижче.

Рис. 6.6. Графік температурного режиму зовнішньої пожежі

Температурний режим вуглеводневої пожежі вважається більш жорстким режимом, ніж стандартний температурний режим. Цей температурний режим використовується для визначення межі вогнестійкості будівельних конструкцій на об'єктах нафтогазової промисловості, де температура горіння продукту (газу або нафтопродуктів) підвищується з більшою швидкістю і має вищі значення, ніж при горінні інших будівельних і облицювальних матеріалів.

Вуглеводневий режим визначають за формулою:

де
θ_g - температура середовища, що нагрівається, ⁰С;
t – час, хв,

Коефіцієнт конвективного теплообміну становить α_c = 50, Вт/м2*К.

Графічне зображення температурно-часової залежності вуглеводневого режиму пожежі показано на рисунку нижче.

Рис. 6.7. Графік вуглеводневого режиму пожежі

Параметричні температурні режими пожежі - це ще одна група температурних режимів, які пов'язані з принципами розгляду реальних сценаріїв пожежі. Параметричні температурні режими відрізняються від номінальних температурних режимів врахуванням низки параметрів, які впливають на результати визначення вогнестійкості. До таких параметрів належать: фізичні параметри приміщення (пожежного відсіку), температура навколишнього середовища, час розвитку пожежі, пожежне навантаження (тип, кількість матеріалів та швидкість їх горіння).

Розрізняють параметричні температурні режими для великих і локальних пожеж, які відрізняються рівномірністю розподілу температури в часі (для великих пожеж - рівномірний, для локальних - нерівномірний).

Першим видом параметричного режиму є об'ємний режим, який використовується для пожежних відсіків з максимальною площею до 500 м2 і висотою до 4 м. При розрахунку цього режиму обов'язково передбачається, що пожежне навантаження повністю вигоріло. Тепловий режим локальних пожеж на практиці використовується рідко, але є прийнятним. Його основними параметрами є довжина полум'я і висота приміщення, відповідно до яких розглядаються два варіанти розвитку локалізованої пожежі.

Моделі локалізованих пожеж із заданими параметрами найчастіше використовуються для розрахунку теплових впливів на горизонтальні елементи сталевих конструкцій при розрахунку їх вогнестійкості.

Після вибору температурного режиму необхідно вибрати підхід, який залежить від прийнятої розрахункової моделі:

• аналіз окремої конструкції;
• аналіз частини конструктивної системи;
• аналіз всієї конструктивної системи.

Поділ конструктивної системи на підсистеми базується на аналізі можливих температурних розширень і деформацій, щоб їхню взаємодію можна було оцінити за допомогою незалежних від часу граничних умов і схеми підтримки протягом пожежі. Під час проектування частини конструктивної системи важливо враховувати характер вогневого руйнування, властивості матеріалів при підвищених температурах, жорсткість конструкції, а також результати теплового розширення і деформації (непрямий вплив пожежі). Умови на опорах і сили, що діють на межі частини конструктивної системи, можуть залишатися незмінними під час пожежі.

Аналіз всієї конструктивної системи в умовах пожежі повинен включати обґрунтування прийнятої схеми руйнування, властивостей матеріалів в залежності від температури нагріву, жорсткості конструкції і наслідків теплового розширення і деформації (непрямий вплив вогню).

Розрахунок окремої конструкції є найбільш універсальним методом аналітичної оцінки вогнестійкості. Цей метод розрахунку розглядає кожну конструкцію окремо, враховуючи відповідні впливи та граничні умови на опорах.

У випадку використання спрощеної розрахункової моделі для металевих конструкцій, що піддаються розтягу, стиску, згину та стиску зі згином, розрахункова несуча здатність конструкції з нерівномірно розподіленою температурою по ширині поперечного перерізу приймається спрощено, як конструкцій з рівномірним розподілом температури, що дорівнює максимальній температурі сталі на момент пожежі. Важливим фактором при розрахунку за спрощеною розрахунковою моделлю є тип захисту, який впливає на величину підвищення температури, що є різною для незахищених несучих металевих конструкцій та захищених ізоляційними вогнезахисними матеріалами та тепловими екранами. У спрощеній розрахунковій моделі максимальні значення температури є завищеними, тому щоб забезпечити створення запасу несучої здатності будівельних конструкцій в умовах пожежі.

Використання уточнених методів розрахунку передбачає врахування реалістичних умов при розрахунку конструкцій, що зазнають впливу вогню. Особливістю такої моделі є те, що вона може бути використана при будь-якому режимі нагріву, якщо відомі властивості матеріалів для даної температурної стадії. Методологія такої моделі передбачає розрахунок розвитку та поширення температури в конструкціях (модель температурного відгуку), механічної роботи будівлі або будь-якої її частини (модель механічного відгуку).

В посібнику Українського центру сталевого будівництва (УЦСБ) детально описані спрощені методики розрахунку сталевих конструкцій на вогнестійкість за Єврокодом 3.

Дані методики дозволяють швидко проаналізувати вплив високих температур на конструкцію або елемент конструкції, проте не дають врахувати важливі аспекти, такі як тепловіддачу та нерівномірний розподіл температури по конструкції.

Хоча по методикам, які описані в вищезазначених нормативних документах неможливо детально проаналізувати поведінку конструктивних систем під час впливу пожежі, – на їх основі можна побудувати більш точні та універсальні чисельні методики оцінки конструкцій.

Саме тому існує нагальна необхідність в розробці чисельно-аналітичного підходу оцінки вогнестійкості металевих конструкцій. Принцип аналітичного підходу в проектуванні вогнезахисту металевих конструкцій має бути заснованим на сучасних розрахункових методах, які враховують специфіку роботи несучих сталевих елементів при пожежі. Враховуючи вищезазначене, зростає актуальність розробки та удосконалення нових методів розрахунку вогнестійкості сталевих конструкцій з врахуванням вогнезахисту.

Обґрунтування вибору методів оцінки вогнестійкості сталевих конструктивних елементів

Аналіз аналітичних методів оцінки сталевих конструкцій на вогнестійкість, які полягають в спрощених методиках розрахунку за Єврокодом, показав, що розрахунковий метод дає задовільні результати при певних припущеннях, які полягають в наступному:

• конструкція має стержневу форму з постійним перерізом по довжині;
• не враховується тепловіддача;
• не враховується нерівномірна зміна температури по перерізу конструкції;
• вибір вогнезахисного матеріалу заснований на результатах експериментальних досліджень.

Експериментальні методи оцінки вогнестійкості дозволяють отримати реальну вогнестійкість елементу, яка дорівнює або перевищує необхідний час збереження несучої або теплоізолюючої здатності.