Огневое воздействие на металл

Вопрос пожарной безопасности в строительстве на сегодняшний день является одним из проблемных. Пожар – это неконтролируемое горение, которое в последствие может привести к гибели человека [3].

Как показывает статистика, наиболее часто пожары происходят в жилом (частном секторе), где также возможна гибель людей. Кроме того, часто пожары случаются на складах. Их причинами являются различные факторы, начиная от аварийного режима работы электросетей, заканчивая неосторожным обращением с огнем (человеческий фактор).

Рисунок 1. Пожар на складе

Пожары на складах (объект защиты) сложны и опасны тем, что на них наиболее большой объем пожарной нагрузки. Тем самым масштаб и время пожара увеличивается.

Объект защиты – продукция, в том числе имущество граждан или юридических лиц, государственное или муниципальное имущество (включая объекты, расположенные на территориях поселений, а также здания, сооружения, транспортные средства, технологические установки, оборудование, агрегаты, изделия и иное имущество), к которой установлены или должны быть установлены требования пожарной безопасности для предотвращения пожара и защиты людей при пожаре [1]. На складах наиболее часто в качестве несущих конструкций используют металлические материалы ввиду того, что элементы каркаса здания из металлических конструкций имеют значительно меньшее сечение чем, например, из железобетона. Поэтому общий вес каркаса сравнительно небольшой, что позволяет достичь существенной экономии на устройстве фундаментов и производстве земляных работ. Конструкции из металла имеют оптимальное соотношение прочностных и стоимостных показателей. Широкий спектр марок стали и возможность точно подобрать требуемое сечение элементов позволяют реализовывать в металле самые сложные проектные решения. Строительные конструкции имеют в зависимости от своей структуры предельные значения по огнестойкости.

Металл при тепловом воздействие на него высоких температур имеет свойство терять несущую способность, вследствие чего может произойти обрушения всего здания. Как показывает статистика, на таких пожарах зачастую гибнут пожарные, которые участвуют в тушении пожара.

При пожаре минимальная температура достигает примерно 490 градусов, это сильно снижает прочность несущих стальных конструкций. Устойчивость при пожаре – это свойство объекта защиты сохранить конструктивную целостность и (или) функциональное назначение привоздействии опасных факторов пожара и вторичных проявлениях опасных факторов пожара [2].

Опасные факторы пожара – факторы пожара, воздействие которых может привести к травме, отравлению или гибели человека и (или) к материальному ущербу [1].

Рисунок 2. Последствие огневого воздействия на несущую металлическую конструкцию

В среднем пожарные тратят на борьбу с огнем 30-40 минут, стальные конструкции должны выдерживать длительное пребывание по открытым огнем. Это достигается только путем огнезащиты стальных конструкций.

Огнезащита металлических конструкций выполняет следующие основные задачи:

• повышает устойчивость металла к воздействию огня;
• предотвращает деформацию металла;
• препятствует распространению пожара.

Использование новейших технологий сильно снижает вероятность воспламенения, следовательно, предотвращает убытки и помогает избежать человеческих жертв. Целесообразность проведения огнезащиты металла не оставляет сомнений в своей эффективности.

Самыми традиционными методами огнезащиты металлических конструкций являютсяобкладка кирпичом, оштукатуривание поверхности растворами, изготавливаемыми на основе цемента, а также их облицовка гипсокартоном, асбестом и другими материалами.

Все вышеперечисленное относится к конструктивным методам огнезащиты стальных конструкций, что увеличивает их сечение с помощью создания дополнительного огнеупорного слоя. Обычно это повышает предел огнестойкости от 30 до 200 минут.

В настоящее время существуют более эффективные новые средства огнезащиты. Особо эффективными являются огнезащитные краски, которые по сравнению с другими методами огнезащиты имеют много преимуществ.

Краски не делают конструкции тяжелее, легко восстанавливаются после повреждения, имеют длительный срок эксплуатации. На современном рынке большой ассортиментом огнезащитных красок. Также, на окрашенной поверхности могут быть использованы облицовочные материалы.

  Огнезащитные краски условно делятся на две основные группы: вспучивающиеся и невспучивающиеся. Вспучивающиеся при нагревании во много раз увеличивают толщину слоя и выделяют при огневом воздействии инертные газы и образуют вспененный слой, состоящий из негорючих веществ.

На сегодняшний день вспучивающиеся краски пользуются популярностью для повышения огнестойкости стальных конструкций.

Это обусловлено их уникальными свойствами: во время пожара происходит образование защитного слоя, который предохраняет от быстрого нагрева поверхность и позволяет в течение длительного времени сохранять несущую способность металлических конструкции.

Рисунок 3. Поверхностная обработка огнезащитным составом

Сохранность материальных ценностей, жизни и здоровья человека на прямую зависит от правильной организации пожарной безопасности строительного объекта. Соблюдение самых простых правил пожарной безопасности и своевременное использование эффективных технологий защиты сооружений от огня помогут избежать трагических последствий.

Воздействие на конструкции повышенных температур и огня

Из года в год количество пожаров увеличивается примерно пропорционально росту средств, затраченных на капитальное строительство. По статистическим данным пожары возникают с установившейся частотой.

Убытки от разрушения зданий во время пожара составляют примерно 15–18 % общих потерь. При пожарах в жилых и административных зданиях температура в помещении поднимается до 1100 °С при продолжительности 1–2 ч.

В театральных зданиях и в больших магазинах пожары длительностью в 2–3 ч повышают температуру в помещении до 1100–1200 °С.

При пожарах строительные конструкции повреждаются от разрушения их материала или изменения его механических характеристик, значительных деформаций, вызванных перегревом конструкций, разрушением конструкций и соединений от продольных деформаций при нагреве. Из-за неравномерного температурного нагрева может изменяться расчетная схема элементов, работающих в составе неразрезных систем.

Величина повреждений зависит от вида и положения конструкции, ее материала, температуры нагрева конструкций и длительности пожара.

• От высоких температур более 250 °С и при пожарах в эксплуатируемых зданиях возможны большие деформации и обрушения. Это вызвано следующими причинами:
• 1) нагрев стальных конструкций и арматуры в железобетонных и армированных каменных конструкциях приводит к падению ее прочности и чрезмерному удлинению, что ведет к изменению геометрии конструкции и большим деформациям. Сжатые армированные зоны конструкций при разогреве и удлинении арматуры растрескиваются и разрушаются;
• 2) бетон и каменная кладка при ограниченных деформациях испыты-вают большие температурные напряжения, что вызывает потерю их несущей способности;
• 3) бетон и каменная кладка становятся хрупкими из-за мгновенного изменения объема кварцевой составляющей при температуре более 500 °С;
• 4) тушение пожара водой неравномерно охлаждает бетонные и каменные конструкции и вызывает в них появление трещин.

При обследовании конструкций после пожара возможно использовать оценку температурного воздействия на конструкции по внешним признакам согласно таблице 5.1.

Таблица 5.1 – Примерная температура нагрева по внешним признакам

Продолжение таблицы 5.1

Окончание таблицы 5.1

Во время пожара происходит прямое сгорание органики (древесины, полимерных материалов, органических кровельных покрытий). Металлические конструкции под действием огня могут терять прочностные показатели до 80 %. Воздействие высоких температур на бетон или цементный камень (в т. ч. штукатурку и пр.

) предопределяет дегидратацию гидрата окиси кальция. Это само по себе снижает несущую способность, а при тушении пожара водой или просто при контакте с влажным воздухом происходит обратная реакция.

Продукт гидратации увеличивается в объеме до двух раз с разрушением поверхностного слоя, что обусловливает проникновение пламени внутрь конструкции.

При пожарах большой интенсивности и длительности деревянные и металлические конструкции, как правило, приходят в негодность, в то время как железобетонные и каменные конструкции частично сохраняют эксплуатационные качества.

Воздействие высоких температур пожара на строительные конструкции от 01 апреля 2009

К.т.н., доцент ГОУ ВИТУ

Д.В.Курлапов

Военно-инженерный технический университет

В результате пожаров в зданиях повреждаются их конструкции вплоть до полного разрушения. Степень огневого воздействия на строительные конструкции зависит от их материала, размеров, температуры и длительности пожара.

При огневом воздействии на деревянные конструкции из них выделяются горючие газы, которые сгорают вне древесины. Под действием перегонки древесина нагревается и обугливается. Влажность древесины уменьшается, а прочность необугленных слоев конструкции возрастает. При заливе пожара водой древесина увлажняется, и ее прочность становится равной той, которую она имела до пожара.

При восстановлении деревянной обгоревшей конструкции весь обуглившийся слой древесины должен быть удален, т.к. он длительное время сохраняет неприятный запах. В деревянных конструкциях определяют сечение элементов за вычетом толщины обугливания.

Расчетное сопротивление древесины при этом принимают как для древесины, не подвергшейся огневому воздействию.

Стальные конструкции выполняются из малоуглеродистой стали. При нагреве стальных элементов выше 600°С они получают большие деформации и не могут быть использованы по назначению.

Усиление стальных конструкций, подвергшихся огневому воздействию при пожаре, производится теми же методами, что и конструкций, не поврежденных пожаром. В стальных элементах определяют их сечение, при этом учитывая время возведения здания. Определяются прогибы в вертикальной и горизонтальной плоскости.

Расчетное сопротивление стали принимают в зависимости от времени выпуска стального проката без учета огневого воздействия. При этом учитывают наличие искривлений оси поврежденного элемента.

Каменные конструкции (стены, столбы, своды) повреждаются с поверхности. Повреждения выражаются глубиной шелушения кирпича. При этом конструкции из силикатного кирпича получают более глубокие повреждения по сравнению с конструкциями из керамического кирпича.

В результате тепловых воздействий при пожарах каменные стены и своды могут получить большие деформации, приводящие к образованию трещин. Усиливают каменные конструкции, поврежденные пожаром, так же, как и конструкции, не подвергшиеся огневому воздействию.

Остаточная несущая способность каменной кладки также зависит от температуры и длительности пожара. Камни кладки и раствор повреждаются только на ее поверхности. В расчетах остаточной несущей способности необходимо учитывать наличие трещин в кладке.

Наиболее сложным является учет степени огневого повреждения при пожарах железобетонных конструкций.

Разнородность материалов, составляющих железобетон, при нагреве приводит к разным температурным деформациям, нарушает связь между цементным камнем, крупным и мелким заполнителем и арматурой.

В результате в железобетонных элементах происходят необратимые изменения механических свойств, снижение прочности на сжатие и растяжение, дополнительные прогибы.

Изменения механических свойств бетона при его нагреве и последующем охлаждении в настоящее время оцениваются очень приблизительно. Это затрудняет определение несущей способности железобетонных элементов, подвергшихся огневому воздействию при пожаре и последующему охлаждению, особенно для сжатых элементов.

Обычно после пожара нет точных данных о температуре нагрева конструкций и продолжительности пожара. Приходится судить об этом по состоянию и цвету поверхности железобетонных конструкций после огневого воздействия пожара на них. Это снижает точность определения остаточной прочности железобетонных элементов после пожара.

При расчетах остаточной несущей способности железобетонных элементов сечение элемента разделяют на полосы толщиной, в зависимости от размеров сечения элемента, 50…100 мм.

Расчетное сопротивление бетона определяется путем умножения расчетного сопротивления неповрежденного бетона на понижающие коэффициенты, вычисляемые по таблицам и графикам.

Металлоконструкции после пожара

• Последствия теплового воздействия на пожаре на металлы (сплавы) и конструкции из них можно разделить на 6 основных групп, условно расположив их (исходя из температуры наступления) в следующий ряд:
• 1) деформации;
• 2) образование окислов на поверхности металла;
• 3) структурные изменения, сопровождающиеся изменением физико-химических и механических свойств;
• 4) растворение металла в металле;
• 5) расплавление и проплавление;
• 6) горение металла (сплава).
• Результаты протекания этих процессов при осмотре места пожара можно зафиксировать визуально или с помощью инструментальных средств, а полученную таким образом информацию использовать при поисках очага пожара.

Рассмотрим последовательно перечисленные выше процессы и возможности экспертного использования полученных сведений. Основное внимание при этом уделим сталям — наиболее распространенному сплаву.

Деформации

Известно, что критическая температура, при которой металлические конструкции теряют несущую способность, составляет: у стальных конструкций — от 440-500 до 550-6000 С; у конструкций из алюминиевых сплавов — около 2500 С.

Потеря несущей способности у металлоконструкции связана, прежде всего, с тем, что она гнётся, деформируется. Эти деформации при осмотре места пожара можно увидеть и нужно оценить.

Заметные деформации у стальных конструкций происходят, как отмечают специалисты, уже при температуре 3000 С. При нагреве до 550-6000 С деформации становятся значительными по величине и в 15-20 % случаев могут привести к обрушению конструкции.

1. Оценка величины и направленности деформаций даёт определённую информацию об относительной интенсивности и направленности теплового воздействия в тех или иных зонах.
2. Отметим визуальные признаки, которые следует фиксировать и оценивать.
3. а) Направление деформации металлических сплавов.

Металлоконструкции и их отдельные элементы деформируются, как правило, в сторону наибольшего нагрева. Кстати, это свойство не только металлов, но и большинства других материалов, например, стекла.

б) Величина деформации.

Очевидно, что величина деформации и конструкции должна быть пропорциональна температуре и длительности её нагрева. Поэтому, казалось бы, на месте пожара наиболее «горячей» зоной можно смело считать ту, в которой металлоконструкции имеют наибольшую деформацию.

Однако не все так просто, и наибольшая деформация происходит не всегда там, где имело место наибольшая температура, наиболее интенсивный и продолжительный нагрев.

Она может быть и там, где конструктивный элемент несёт более высокую нагрузку или на него действует наибольший изгибающий момент.

• Тем не менее на рассредоточенных по зоне горения однотипных и относительно одинаково нагруженных конструкциях оценить величину деформации в сравнении друг с другом очень полезно.
• Чтобы количественно оценить степень деформации рассчитывают так называемую величину относительной деформации.
• в) Взаимное расположение деформированных (обрушившихся) конструкций.

При осмотре места пожара нужно обращать внимание на взаимное расположение в пространстве, деформированных либо обрушившихся конструкций. Иногда это даёт полезную для установления очага пожара информацию.

г) «Высота излома» вертикальных несущих конструкций.

Не менее полезно при осмотре ряда однотипных вертикальных несущих металлоконструкций сравнивать минимальную высоту, на которой начинается существенная деформация каждой из конструкций.

Замечено, что при нагреве в ходе пожара вертикальные несущие металлоконструкции (например, металлические стойки павильонов, ангаров и других подобных сооружений) как бы подламываются на определенной высоте. Чем ближе очаг пожара к конструкции, тем на меньшей высоте на прогревается до критической температуры восходящими конвективными потоками.

Таким образом, зафиксировав высоту излома вертикальных конструкций, мы имеем возможность проявить своеобразный «макроконус» — признак направленности распространения горения от очага к периферии.

д) Значительные по величине локальные деформации.

Значительные по величине и чётко выраженные локальные деформации металлоконструкций, особенно балок перекрытия и тому подобных элементов — важный очаговый признак, на который обязательно следует обращать внимание.

Данные деформации образуются в начальной стадии пожара, когда в объёме помещения, справа и слева от локально нагреваемого участка ещё холодно, а под данным участком собственно и происходит горение.

В противном случае, если деформация балки происходила на стадии развившегося пожара, при относительно равномерной температуре на уровне потолка во всем помещении, то она должна была деформироваться относительно равномерно, с максимальным прогибом по центру, где на балку действует максимальный изгибающий момент.

Образование окислов на поверхности металла

Алюминий и его сплавы.

Известно, что на поверхности алюминия и его сплавов уже при обычных температурах существует микронной толщины окислый слой, который предохраняет алюминий от окисления.

Окисел этот выполняет свою функцию и при нагреве алюминиевого изделия на пожаре, вплоть до достижения температуры плавления.

Какой либо полезной экспертной информацией из исследования окисного слоя на алюминии извлечь не удается.

Медь.

На поверхности медных изделий до температуры примерно 1000 С присутствует черная пленка окисла (CuO, окись меди). При нагреве выше 1000 С и достаточной длительности образуется пленка закиси меди красного цвета (Cu2О). Это обстоятельство даёт возможность в отдельных ситуациях оценивать, превышала ли температура в зоне, где находится медное изделие, указанную величину.

Сталь.

Если поверхность стального изделия обработанная, гладкая, то первый признак теплового воздействия, который можно обнаружить визуально, — так называемые «цвета побежалости». Они появляются при нагревании стали до температуры 200-3000 С благодаря образованию на её поверхности микронной толщины пленки окисла.

Толщина слоя окисла зависит от температуры нагрева (чем больше температура, тем окисел толще), а за счёт интерференции света с изменением толщины пленки меняется и её свет.

Таким образом, получается, что цвет пленки окисла («цвет побежалости») зависит от температуры нагрева стали и может использоваться для её примерного определения при исследовании пожара.

Оценка нагрева металлических конструкций по «цветам побежалости» при поисках очага пожара используется редко. Чаще это делается при установлении причины пожара, связанного с трением, локальным перегревом в технологических установках, двигателях и т.д.

Окалина.

Высокотемпературный окисел — окалина — образуется на сталях обыкновенного качества (за время нагрева, характерное для среднего пожара) при температуре от 7000 С и выше.

Рост толщины окалины происходит по параболическому закону; чем больше температура и длительность нагрева, тем она толще. От температуры образования оскалины зависит и её состав.

Она может состоять из трех слоев различных окислов — вустита (оксида двухвалентного железа, FeO), гематита (оксида трехвалентного железа Fe2O3) и магнетита (оксида двух — трёхвалентного железа, Fe3O4).

Чем выше температура, тем больше в окалине вустита и меньше гематита. Вустит имеет черный цвет, а гематит рыжий.

Это обстоятельство позволяет по цвету окалины и её толщине примерно, ориентировочно оценивать температуру нагрева металлоконструкций.

Низко температурная окалина (700-7500 С), в которой мало вустита, обычно имеет рыжеватый оттенок и достаточно тонкая. Окалина, образовавшаяся при 900-1000 С и более, — толстая и чёрная. Если окисел на поверхности стальной конструкции рыхлый и рыжий — это, скорее всего, вообще не окалина, а обыкновенная ржавчина.

Цвет окалины и её толщина дают возможность примерной оценки температуры нагрева стальных конструкций на пожаре. При этом, однако, не исключены ошибки, поэтому лучше всё-таки проводить инструментальные исследования окалины и определять таким образом не только температуру, но и длительность нагрева конструкции.

Расплавления и проплавления металла

Расплавления и проплавления (образование сквозных отверстий) металлов и сплавов на пожарах, особенно крупных, встречаются не так уж и редко. Можно считать, что это наиболее высокая степень термических поражений конструкций и отдельных предметов.

В 70-х гг. В. Г. Выскребцов (ВНИИСЭ) предложил даже использовать так называемый «метод температур плавлений» для поисков очага пожара.

Метод заключался в фиксации мест, где расплавился тот или иной материал, и определении, таким образом, распределения температурных зон по месту пожара. Известно, например, что температура плавления составляет: меди — 10830 С; стали — 1300-14000 С.

Таким образом, если в зоне А расплавился алюминиевый провод, что температура там превышала 6000 С, а в зоне Б, где оплавились медные провода, она была, как минимум, 1080-10900 С.

Конечно, фиксировать на месте пожара зоны, где расплавился тот или иной материал, весьма полезно. Но считать это самостоятельным методом установления очага пожара было бы неразумно; да и температурные зоны устанавливаются таким путём достаточно условно — если расплавился алюминий, то это не значит, что температура была 6000 С — она могла быть и 700 — 900 — 1000…0 С.

Кроме того, нужно иметь ввиду, что так называемые «проплавления» в металле могут возникнуть и при температуре, ниже температуры плавления. Возможно это, как минимум по двум причинам. 1) Локальный нагрев тонкого стального изделия (листа, проволоки и т.д.) приводит к образованию слоя окалины, соизмеримого по толщине с самим изделием.

Окалина, не обладает достаточной механической прочностью, затем может выкрошиться, и на изделии после пожара обнаружится «дырка». В качестве примера приведём исследование пожара, произошедшего на складе одного из научно-исследовательских институтов.

При осмотре места пожара там было обнаружено несколько стоящих вертикально рулонов сетки Рабица, на боку которых имелись вытянутые по вертикали каверны — проплавления сетки на глубину до нескольких сантиметров.

Наличие таких проплавлений показалось дознавателю очень подозрительным — ведь температура плавления стали, как указывалось выше, 1300-14000 С, и обеспечить такую температуру могло лишь применение каких-то таинственных спецсредств поджога. Все оказалось, однако, более прозаично.

Когда остатки сетки по периметру прожогов исследовали, то оказалось, что проволочки полностью состоят из оксидов железа (неокисленного железа там уже нет), т.е. сталь полностью превратилась в окалину. Для такого процесса не нужна температура 1300-1400, достаточно и 800-9000 С.

Однако почему разрушения имеют такой специфический, локальный характер? Оказалось, что над рулонами сетки, на деревянных антрисолях склада хранилось несколько тонн полиэтиленовой пленки. При пожаре полимер плавился, горел, а часть его стекала на расположенные ниже рулоны сетки.

Прилипающий к сетке и горящий полимер и привёл в кончном счёте к образованию столь странных «проплавлений». 2) Растворение металла в металле. Расплавленный в ходе пожара более легкоплавкий металл при попадании на металл более тугоплавкий может привести к «растворению» последнего в расплаве первого металла. При чём происходит это при температуре, значительно ниже температуры плавления «тугоплавкого металла».

Про достоинства металлочерепицы написано уже немало статей, наша будет более интересная так как мы расскажем не только про достоинства, а и укажем некоторые особенности данного кровельного материала.

Такой процесс возможен, например, при попадании расплавленного алюминия на медь и её сплавы. Происходит это за счёт образования эвтектического сплава меди с алюминием. Известно, что чистая медь имеет температуру плавления 10830 С. В тоже время эвтектический сплав «медь+алюминий» плавится при температуре 6600 С, а «медь+расплавленная латунь» при 870-9800 С.

Способностью растворяться в расплавленном алюминии обладает также сталь.

Растворение стали в алюминии происходит в три этапа: а) окалинообразование на стали, протекающее под воздействием попавшего на неё расплавленного алюминия; б) химическое взаимодействие образовавшихся оксидов железа с расплавленном алюминием по реакции: Fe2O3+2AL -> AL2O+2Fe+847,8 кДж.

Реакция эта, как видно из уравнения, сопровождается сильным тепловыделением, что приводит к дополнительному разогреву в зоне реакции и соответственно интенсификации последней; в) растворение восстановленного из окисла железа в расплавленном алюминии (например, при температуре 9000 С в алюминии может раствориться до 10% Fe).

Конечным результатом протекания указанных реакций может быть проплавление (дырка) в тонком стальном листе, в стенке стальной трубы и т.д.

Квалификационным признаком, позволяющим отличить такую дырку от проплавления, возникшего, например, под действием электрической дуги, является характерный контур проплавления (в форме лужицы, потека) и тоненькая каемка алюминия обычно сохраняющаяся по периметру дырки.

Горение металлов и сплавов

Известна способность к горению щёлочных и щёлочноземельных металлов (К, Na, Mg). Менее известно, однако, что в определённых условиях способны гореть (т. е. взаимодействовать с кислородом воздуха) металлы и сплавы, обычно не считающиеся горючими. Примером в данном случае могут быть широко распространенные в качестве конструкционных материалов алюмомагниевые сплавы.

Cтруктурные изменения, сопровождающиеся изменением физико-химических свойств

Изменения структуры металла при нагревании происходят в довольно широком интервале температур, но, как правило, незаметно для глаза. Их надо выявлять инструментальными методами, с помощью соответствующих приборов. В частности, широко используются такие методы как: металлография, магнитные исследования.

Оценка состояния строительных конструкций после огневого воздействия

2.2.1. Влияние огневого воздействия

НА ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНСТРУКЦИЙ

На здание или сооружение, подвергшиеся огневому воздействию, службами пожарной охраны и пожарно-технических станций Госпожнадзора обычно составляется акт «Описание пожара», содержание которого регламентируется «Инструкцией по изучению пожаров», утвержденной ГУПО МВД РФ. Из этого документа можно получить первичную информацию, которая позволит оценить степень сохранности конструкций и целесообразность дальнейшего детального инструментального обследования строительных конструкций.

При обследовании состояния конструкций после пожара используется оценка температурного воздействия по характеру изменения внешнего вида, формы и цвета строительных конструкций и изделий согласно данным, приведенным в табл. 2.10.

• Обследование конструкций зданий и сооружений, поврежденных пожаром, проводят в два этапа: первый включает предварительное обследование, а второй — детальное.
• Таблица 2.10
• Примерная температура нагрева конструкций по внешним признакам

Огнезащита металлических конструкций: способы и составы

Несущая способность металлоконструкций при отметке температуры +500 градусов Цельсия утрачиваются. Указанная температура воздействует на металлические изделия во время пожара.

Для обеспечения огнезащиты стальных изделий следует обратиться к СНиП. Обеспечение пожаробезопасности зданий и строений регулируется СНиП 21-01-97* (СП 112.13330.2011).

В своде правил приведен список материалов, которые могут быть выбраны для огнезащиты металлических изделий.

Степень огнестойкости регулируется ГОСТ 30247.0-94. Классификация пожароопасности регламентируется ГОСТ 30403-2012.

Согласно этим требованиям, существует 4 класса пожарной опасности:

• Не пожароопасный класс опасности (К0);
• Низкий класс пожароопасности (К1);
• Средний класс пожароопасности (К2);
• Высокий класс опасности возникновения пожара (К3).

При возникновении/развитии пожара в зданиях различного назначения, а также любой степени огнестойкости: от жилого дома, надворных построек из древесины до производственного цеха из железобетонных конструкций огнем повреждаются/уничтожаются не только горючие элементы строений/сооружений, оборудование, сырье/товарная продукция, находящиеся в них, отделка и мебель, предметы обихода.

Под воздействием высокой температуры полностью теряют несущую способность прочные, абсолютно незыблемые на вид металлические конструкции зданий:

• балки,
• фермы,
• колонны,
• опорные столбы,
• внутренние лестницы.

Эти строительные конструкции, выполненные чаще всего из чугунного, стального металлопроката, начинают активно деформироваться в огне через 15 минут, что отражено в государственных строительных нормах, регламентах пожарной безопасности.

Через еще небольшой промежуток времени в зависимости от толщины, общей массы металла, силы пламени; здания, с несущими конструкциями из незащищенного ничем металла, начинают рушиться, складываться как карточный домик, унося жизни многих людей и принося огромный материальный ущерб.

Предотвратить такую ситуацию можно двумя различными путями:

• Огнезащита несущих металлических конструкций – это самый эффективный способ довести все элементы здания/сооружения, отвечающие за целостность, устойчивость и надежность; что во многом определяется требуемой степенью, а также пределами огнестойкости для каждой детали в нем, указанными в СНиП 21-01-97* (СП 112.13330.2011). Но, этот путь решает проблему защиты от открытого пламени, теплового воздействия огня пожара внутри здания, чему также способствует обеспечение его современными стационарными системами пожаротушения, которые не только ликвидируют возгорание на начальной стадии; но и охлаждают несущие конструкции здания, в том числе выполненные из металла, понижают/сбивают высокую температуру во всем объеме строения/пожарном отсеке.
• Соблюдение противопожарных разрывов исключит занесение источника открытого огня внутри здания, а содержание в надлежащем состоянии пожарных проездов/подъездов к зданиям/сооружения будет способствовать оперативному прибытию подразделений МЧС, негосударственных формирований для ликвидации ЧП.

Способы огнезащиты

Многочисленные решения по защите от прямого воздействия огня, огромного теплового воздействия развивающегося пожара металлических и деревянных конструкций, применяемых в строительном деле, найдены очень давно; но продолжают изобретаться как новые способы, так и новые составы.

Реальная картина находит отражение во многих нормах/правилах, регламентирующих обеспечение огнестойкости защищаемых объектов. Отдельно стоит упомянуть СП 2.13130.2012. Огнезащита металлических конструкций, как, впрочем, и всех остальных элементов зданий/сооружений, проходит в нем красной строкой.

Давно применяются, а также появились относительно недавно следующие способы/виды, методы и приемы предохранения поверхностей металла, находящихся под значительной нагрузкой в составе строения, от огня/теплового воздействия, называемые все вместе конструктивной огнезащитой.

Основана она на нанесении/создании на поверхности строительных конструкций, которые могут подвергаться внешнему воздействию, теплоизоляционного слоя, достаточной толщины и качества покрытия; чтобы он выдержал огонь/тепло в течение нормативного времени согласно требованьям ПБ при проектировании/строительстве в части обеспечения огнестойкости:

• Огнезащита металлических колонн, опорных столбов, поддерживающих перекрытия/покрытия зданий/сооружений, используется очень давно, начиная со возведения старинных особняков/замков. Для этого использовался природный камень, кирпич, плитные материалы – сначала естественного, а позднее – искусственного происхождения.

Такая облицовка от пола до перекрытия надежно предохраняет конструкцию из металла от возможного воздействия факторов пожара.

Если раньше такие материалы выкладывались вокруг колонны/столба с использованием строительного/известкового раствора, то сегодня разработаны виды/методы крепления плитных/листовых, а также рулонных огнезащитных материалов на каркасе с воздушными прослойками; что снижает нагрузку на междуэтажные перекрытия, значительно удешевляет этот вид противопожарных работ.

• Огнезащита металлических балок. По понятным причинам облицевать камнем/кирпичом или плитными материалами такие конструкции, находящиеся под потолком помещений зданий, сложно/невозможно или просто опасно для людей, которые будут в нем находиться, особенно если это происходит на территориях с повышенной сейсмической активностью.

Поэтому металлические балки, как и колонны/столбы зданий, защищают слоем мокрой штукатурки, цементного раствора, бетонированием по деревянной дранке/металлической сетке, различными огнезащитными вязкими смесями – обмазками/мастиками, придавая в зависимости от толщины защитного покрытия требуемый предел огнестойкости. Недостаток такого метода огнезащиты – дополнительная нагрузка на перекрытия здания, дополнительные затраты, внешняя тяжеловесность таких решений, что часто не устраивает архитекторов/заказчиков проектируемых или строящихся зданий.

• Огнезащита металлических лестниц. Так как это обязательная конструкция практически любого здания/сооружения, важный элемент организации/системы эвакуации людей из строений, то такому виду огнезащиты уделяется особое внимание. Использование быстровозводимых, сравнительно недорогих лестниц из металла, которым несложно придать нужный уклон, высоту/ширину маршей, широко распространено при проектировании/строительстве зданий большинства степеней огнестойкости, категории производства.

Защищают их всеми возможными вышеперечисленными способами, а также с использованием тонкослойных напыляемых составов – покрытий и красок, о которых речь пойдет в следующей главе.

• Для защиты несущих конструкций зданий и лестниц в них используется также комбинированный способ, являющийся сочетанием различных видов огнезащитной обработки металла.

Следует отметить, что во всех случаях – при любых способах нанесения/крепления огнезащитных материалов они обязаны отвечать технологическим методам/приемам, приведенным в протоколах испытаний на стойкость к огневому воздействию, что требует СП 2.13130.2012 (см. выше).

В роли конструктивных средств огнезащиты металлических конструкций рассматривается базальтовое волокно. Современные методы огнезащиты подразумевают укладку определенных материалов, которые способны создать препятствие для распространения огня.

Металлические конструкции для обеспечения огнезащиты могут покрываться специальными составами, которые образуют теплоизолирующий слой. Для защиты стальных изделий могут применяться огнеупорные материалы, выкладываемые в несколько слоев.

Итоги: огнезащита металлоконструкций выполняется с применением защитных покрытий (цементный раствор, минеральные волокна, жидкое стекло), а так же вспучивающихся красок (бывают летние и зимние) на основе группы веществ (при нагревании краска вспучивается, образуя теплоизоляционный слой).

Составы для огнезащиты

Покрытие огнезащитным составом металлических конструкций

Нормативные требования к таким многокомпонентным смесям, а также методикам определения эффективности устанавливает ГОСТ Р 53295-2009.

Эффективным решением стала относительно недавняя разработка – огнезащитные краски/покрытия. Это высокотехнологичные составы, состоящие из множества компонентов. Разработаны много торговых марок, принадлежащих в основном известным во всем мире производителям и соответственно разработчикам красок.

Такие огнезащитные жидкие материалы наносятся распылением, кистью в несколько слоев, обычно не более трех.

После каждого нанесения в соответствие технических условий/сертификата соответствия ПБ необходим определенный промежуток времени для высыхания.

Под воздействием огня огнезащитная краска вспучивается, образуя вспененный слой, напоминающий пемзу, который не пропускает тепло к защищаемой конструкции. Этим обеспечивается любой требуемый нормами предел огнестойкости.

• Кроме практической функции огнезащиты, такие краски позволили воплощать в жизнь многие ранее нереализуемые идеи архитекторов и дизайнеров по строительству зданий с применением ажурных несущих конструкций из металла.
• Так, эффективная огнезащита металлических ферм, особенно больших габаритов, монтируемых на значительной высоте, стала возможной на практике; а не только в проектных решениях, только после появления таких огнезащитных материалов, практически не увеличивающих нагрузку на эти ответственные во всех отношениях элементы сооружений; таких как стадионы, различные развлекательные, торговые, выставочные, спортивные комплексы, многопролетные здания производственных цехов, складских ангаров.
• Эти составы можно покрывать сверху дисперсионными красками на водной основе, придавая нужный цвет конструкциям; а также стойкими к внешним воздействиям лаками, значительно продлевающими такому виду огнезащиты срок эксплуатации до ремонта/обновления.

Виды огнезащитных составов и материалов

Виды огнезащитных составов

Следует учитывать, что современные огнезащитные составы по металлу вещь, мягко говоря, недешевая. Особенно когда площади поверхностей несущих конструкций начинают измеряться тысячами метров. А если вспомнить про стоимость работ, значительная часть которых относится к высотным?

Поэтому до сих пор в ходу традиционные мастики/обмазки, даже мокрая штукатурка. Из более современных материалов, конкурентов тонкослойных покрытий/красок; если речь не идет об огнезащите сложных по форме, профилю/сечению конструкций, стоит упомянуть следующие материалы:

• Базальтовый рулонный, выполненный на основе холста из базальтового волокна без связующих компонентов. Может быть прошит стекловолоконной/базальтовой нитью, иметь покрытие/подкладку.
• Плита из минеральной ваты, покрытая стеклотканью/фольгой с одной/двух сторон.

Такие плитные/рулонные материалы в ходе огнезащитных работ оборачиваются или наклеиваются вокруг колонн, столбов, балок, обеспечивая требуемый предел стойкости к огню.

Для тех, кто желает и имеет средства идти в ногу со временем, российскими и зарубежными компаниями, химическими концернами выпускается огромный спектр тонкослойных огнезащитных покрытий по металлу, которые называют также термическими красками, конструктивными обмазками и прочими «отличными от других» названиями.

В массовом строительстве при использовании несущих металлоконструкций каркаса зданий/сооружений используются различные марки огнезащитных составов, количество которых исчисляется десятками. Чтобы только вкратце перечислить их и производителей понадобится новая статья на эту тему.

Не следует забывать, что право на проведение огнезащитных работ по металлу имеют только компании, обладающие соответствующей лицензией МЧС; а сами работы не так просты, как это может показаться на первый взгляд.

Так, неправильно подобранные к установленным на строительном объекте грунтовка, краска и лак могут привести к тому; что вместо того, чтобы прослужить долгие годы свеженанесенное тонкослойное покрытие начнет шелушиться и осыплется.

Вряд ли кому-то нужны такие натурные эксперименты за собственный счет.

Дополнительная информация