Abstract and keywords
Abstract (English):
The author considers the main methods of fire protection for residential and public buildings and structures. The efficiency of metal structures is analyzed, the latest methods of corrosion and fire protection of metal structures are selected. For the plastering, cladding and coating methods, a table of the required thickness in relation to the fire resistance limits was compiled. Based on this table, graphical and empirical dependences for the 30k1 I-beam column are constructed, showing the dependence of temperature on time and the limits of fire resistance on the reduced coating thickness. According to the graphic data, the most economical method of fire protection was chosen, but the resulting deflections exceed the limit according to current standards.

Keywords:
safety of metal structures, metal structures, fire protection
Text
Publication text (PDF): Read Download

Металлические конструкции являются важнейшим и лидирующим материалом, выгодно отличающим себя от прочих строительных элементов. Применение стали уже давно известно в различных областях жизнедеятельности человека, повышает качество среды жизни, что соответствует Указу Президента и Постановлению Правительства [1, 2].

Использование его для возведения несущих и ограждающих элементов зданий и сооружений позволило специалистам строительной индустрии проектировать высокие многоэтажные жилые комплексы [5].

Однако при большем количестве положительных свойств в использовании стального каркаса в промышленном или гражданском строительстве, есть и два существенных недостатка: сопротивляемость пожарам и их стойкость к коррозийному воздействию. Ниже приведены группы для коррозийной защиты. Существующие расчетные положения также должны учитывать данные факторы.

Существуют несколько групп конструкций с необходимой коррозийной защитой:

- I группа–защита устанавливается на этапах проектирования и изготовления конструкций;

- II группа – условие, в котором технологических показателей антикоррозийной защиты конструкции недостаточно;

- специальная – в том случае, если методы I и II группы не выполняются.

Наиболее распространенным методом уменьшения коррозийного износа является покрытие элементов лакокрасочными материалами. Выбор необходимой краски или лака осуществляется по выявлению атмосферной влажности и влияния агрессивных сред и газов [3].

К особенностям выбора краски или лака по выявлению атмосферной влажности относится:

- температура воздуха;

- температура окрашиваемой поверхности;

- влажность воздуха;

- увлажнение поверхности.

Влага, сконденсированная на поверхности, может привести к нежелательным последствиям:

- вызвать коррозию металла;

- нарушить смачиваемость поверхности лакокрасочным материалом;

- уменьшить сцепление лакокрасочного покрытия с окрашиваемой поверхностью;

- вызвать образование в лакокрасочной пленке дефектов (пор, кратеров, сморщивания).

Для повышения устойчивости пожару существует два основополагающих метода огнезащиты - сухой и влажный, которые обосновывают выбор способа построения защиты.

К достоинствам сухих технологий огнезащиты является выполнение работ в любое время года, а также в условиях, когда по каким либо технологическим или иным причинам применение мокрых технологий является недопустимым. Сухие технологии являются более трудоемкими, а выполнение огнезащиты на конструкциях сложной пространственной формы, например, балках и фермах является трудно решаемой технологической задачей. Некоторые материалы можно отнести условно к сухим, например, плитные или рулонные материалы, они могут крепиться мастиками или клеями, либо комбинированным мокро-сухим способом и, впоследствии, оштукатуриваться перед чистовой отделкой. При проектировании стальных колонн учитывают следующие требования: минимизация расхода стали; скорость установки; однотипность параметров; минимизация расход ресурсов при изготовлении; простота и надежность стыковых соединений; небольшая прилегающая площадь на фундаменте; простые узлы и переходы.

Влажная огнезащита может выполняться в теплое время года. Обкладка кирпичом является трудоемким и медленным процессом, поэтому может выполняться при малых объемах огнезащитных работ. Наиболее технологичным и применяемым процессом является оштукатуривание защитных конструкций методом торкретирования. Данный метод позволяет создавать огнезащитные покрытия, точно повторяющие форму защищаемой строительной конструкции. Покрытия, используемые этим методом, могут быть подвергнуты финишной обработке или окраске для придания водостойкости, а также для стойкости к агрессивным средам.

Приведенные выше способы огнезащиты основаны на замедлении прогрева металла за счет создания препятствий поступающему тепловому потоку, которые подробно освещены ниже [4].


Существуют несколько способов огнезащиты: сухая и влажная защита; штукатурка; обетонирование; краски; инумесцентные составы (вспучивающиеся шпаклевки с толщиной более 3 мм); конструктивная огнезащита (рис. 1). Нами предусмотрено использование в строительных конструкциях различных красок и приведенные ниже условия их применения [3].

 

Рис. 1. Способы конструктивной огнезащиты:

а) плитами из ячеистого бетона; 1 – болт; 2 – колонна; 3 – приваренный уголок;
4 - цементный раствор; б) вермикулитовыми плитами: 1 – клей; 2 – колонна;
3 – вермикулитовая плита; 4 – алюминиевый лист

 

Разрушение стали без поверхностного покрытия начинает формироваться с поверхности металлического элемента.

Существует несколько типов коррозии: сплошная; местная; межкристаллитной или интеркристаллитной [5].

В зависимости от внешних воздействий коррозию подразделяют на: химическую (газовую); жидкостно-химическую; электрохимическую.
Ниже представлены способы и методы антикоррозийного покрытия и огнезащиты (рис. 2).

 

   

Рис. 2. Действие вспучивающегося огнезащитного покрытия

а) конструкция до пожара; б) конструкция после пожара

 

В настоящее время для огнезащиты используют следующие лакокрасочные покрытия: Термобарьер; Джокер; Джокер М; Джокер АЭС; Джокер 521; Лидер; Уникум; Монокот Крилак; ОФП-НВ «Эскалибур»; Миропан-ПРО-Металл; Миронит-Металл. Ниже представлены описания их применений.

Огнезащитная краска «Термобарьер» разработана для снижения потери прочностных характеристик стальных колонн. Она применяется в промышленном и гражданском строительстве, и ее следует использовать только внутри помещений.

Главной особенностью данной краски является возможность работы практически при любых погодных условиях (температура окружающего воздуха от -30°С до +35°С, относительная влажность до 90%.).

К преимуществам ее можно отнести: компактность; независимость от атмосферных температурных перепадов; высокая скорость высыхания краски и др.

Краска, которая соответствует II, III, IV, V, VI, VII группам огнестойкости и обеспечивает предел огнестойкости металлоконструкций от 15 до 120 минут (R15, R30, R45, R60, R90, R120) [3, 4].

При определении противопожарной защиты используется понятие «приведенная толщина металла» (ПТМ). От которой зависят требуемые параметры обработки.

Fпр= S ·10/ P,

где: Fпр — приведенная толщина металла;

S — площадь поперечного сечения, в см;

P — обогреваемый периметр, в см.

Расчеты учитывают НПБ 236-97* и отображают зависимость толщины покрытия от приведенной толщины металла. Процедура расчета использует несколько формул, при этом учитываются параметры сечения детали – периметр.

При определении противопожарной защиты используется понятие «приведенная толщина металла» (ПТМ). От него зависят требуемые параметры обработки, при этом исчисления учитывают НПБ 236-97* и отображают зависимость толщины покрытия от приведенной толщины металла. Процедура расчета использует несколько формул, учитывает параметры сечения детали – периметр. Ниже в таблице 1 представлены технические характеристики для расчета огнезащиты стальных колонн.

Таблица 1

Технические характеристики для расчета огнезащиты стальных колонн

Колонны (ГОСТ 26020 - 83)*

 

Сортамент

Приведенная толщина ме талла

Обогреваемы й периметр

Площадь поверхности
1 м, м2

Площадь поверхности
1 т, м2

20К1

4,48768

1177

1,177

28,361

20К2

5,05076

1182

1,182

25,203

23К1

4,75071

1400

1,4

26,82

23К2

5,39672

1404

1,404

23,597

26К1

5,41591

1534

1,534

23,528

26К2

6,05917

1538

1,538

21,011

26К3

6,85881

1544

1,544

18,58

30К1

6,08794

1774

1,774

21,019

30К2

6,86242

1788

1,788

18,567

30К3

7,80642

1777

1,777

16,318

35К1

6,76186

2066

2,066

18,833

35К2

7,73385

2074

2,074

16,473

35К3

8,85096

2080

2,08

14,394

40К1

7,43655

2364

2,364

17,13

40К2

8,88627

2374

2,374

14,336

40К3

10,80469

2386

2,386

11,794

40К4

12,85833

2400

2,4

9,909

40К5

15,35596

2416

2,416

8,297

 

Пример расчета покрытия и ПМТ:

Исходные данные:

Двутавр 300(h) 300(b) 10(S) 11080(f).

 

 

Рис. 3. Параметры двутавра:

S – толщина стенки; h – высота двутавра; b – ширина полки

 

Марка стали сортамента 30К2; обогрев ведется с 4 сторон.

Производим расчет периметра двутавра:

P=2h+4b-2s=2*300+4*300-2*10=1780 мм.                   [13]

где, приведенная толщина металла (ПТМ)

F – площадь поперечного сечения,

P – обогреваемый периметр, тогда

δпр=11080/1780=6,22 мм.

Окончательные расчеты выполняются по ГОСТ 53295-2009, а расчет делают для критической температуры металла t+500 °C.

Используя графики и таблицы защитных составов, подставив которые, получают требуемую толщину СО для исчисленного ПТМ [13].

На основании имеющихся данных сортаментов колонных двутавров (Гост 26020 – 83*) и методов уменьшение скорости набора критической температуры стальной колонны, получается прослойки создания между зоной  влияния огня и строительного элемента. Из таблицы 2 производится выбор метода огнезащиты.

 

Таблица 2

Методы огнезащиты

Метод огнезащиты

Огнезащитный материал

Средняя плотность кг/м3

Толщина огнезащитного материала, мм (При требуемых пределах огнестойкости, мин.)

45

60

90

120

150

Облицовка

Кирпич ША - 8

1800

65

65

65

65

120

Бетон

2500

25

25

40

50

60

Гипсокартон

850

12

12

50

-

-

Оштукатуривание

Цементно-песчаная штукатурка

1800

25

25

40

50

60

Перлитовая штукатурка

500

15

15

30

40

50

Нанесение покрытий

Невспучивающиеся покрытие ОФП-МВ

300

15

15

30

40

45

Вспучивающиеся покрытие ОЗС-МВ

1230

8

8

24

32

-

                   

 

 

В жилых и общественных зданиях для стальных конструкций рекомендуется применять только конструктивную огнезащиту без использования вспучивающихся компонентов. Вышеуказанные данные для облицовки усиливают массу конструкции, а также повышается долговечность конструкции и сопротивляемость воздействия влажности и динамическим нагрузкам (рис. 4).

 

 

При этом общая эмпирическая зависимость y = Ax2 + Bx+C где,

Эмпирическая зависимость для кирпича: y = 7,8571x2 - 36,143x + 98

Эмпирическая зависимость для бетона: y = 1,0714x2 + 3,0714x + 19

Эмпирическая зависимость для гипсокартона: y = 19x2 - 57x + 50

 

 

При этом общая эмпирическая зависимость

y = Ax2 + Bx + C,

где Эмпирическая зависимость для ША-8 y = -14,94x2 + 150,54x - 147,68

 

 

Эмпирическая зависимость для гипсокартона:

y = Ax2 + Bx+C,

где Ax2 = 0,0092; Bx=0,4924; С= 27,039

 

Использование минераловатых плит обусловлено их высокими показателями тепло-сохраняющих характеристики могут использоваться в организации огнезащиты конструкции, причем необходимо использовать декоративную облицовку, что дополнительно повышает огнестойкость на 25 минут на каждый слой. Ниже приведен график огнезащиты штукатурки и эмпирических зависимостей (рис. 7).

 

 

Общая эмпирическая зависимость y = Ax2 + Bx+C,

где эмпирическая зависимость для цемементно-песчанной штукартуки:

y = 1,0714x2 + 3,0714x + 19;

эмпирическая зависимость для перлитовой штукатурки:

 y = 1,0714x2 + 3,0714x +9.

При применении невспучивающихся огнезащитных покрытий предел огнестойкости которых достигается при применении облегченной штукатурки (200 – 600 кг/м3), применение легких термостойких заполнителей.

Нанесение происходит по сетке вручную или механизированным способом, причем толщина покрытия от 15 до 50 мм способна обеспечивать предел огнестойкости от 0,75 до 2,5 часов.

Вспучивающиеся (терморасширяющиеся) огнеупорные краски или плиты, предпочтение отдается изделиям с использования вермикулитовых плит, состоящие из вулканического состава, а за счет их физико- механических свойств повышается теплоизоляция зданий.

Они используются по достижению температуры пожара при температуре более 200 0С, так как они начинают, расширяется, и создают термоизоляционный слой, превышающий и первоначальный объем в десятки раз. За счет этого огнестойкость конструкции повышается (рис. 8).

 

 

Общая эмпирическая зависимость y = Ax2 + Bx+C,

где эмпирическая зависимость для невспучивающегося покрытия:

y= 1,0714x2 + 3,0714x +6

эмпирическая зависимость для вспучивающегося покрытия: y=8,8x–4

Ниже приведена зависимость собственного предела огнестойкости металлоконструкции от приведенной толщины металла (табл. 3), а также график огнезащиты незащищенных металлических конструкций (рис. 9).

 

Таблица 3

Зависимость собственного предела огнестойкости металлоконструкции от приведенной толщины металла

 

Приведенная толщина, мм

Предел огнестойкости, мин.

3

5

5

9

10

15

15

18

20

21

30

27

 

 

 

Общая эмпирическая зависимость

y = Ax + B,

где Ax= 0,7749; B=5,1142.

При облицовывании кирпичом, бетоном или гипсокартоном, нагрузка от этих средств не передаётся на конструкции, на нанесение растворов и покрытий дополнительно загружает непосредственно сами балки и колонны, что может вызвать перемещения и прогибы. В качестве примера автором была смоделирована в программном комплексе SCAD 3 плоских рамы пролётами l=6, 12 и 24 м, а высота колонн h=6 м (табл. 4). При этом сечения конструкций, будут следующие: колонны - двутавр колонный 30К1; балки - двутавр широкополочный 20Ш1. Рассчитав массу состава на 1 м, стойки и балки рам загружаются полученной нагрузкой и выполняется расчет (табл.5). В каждом случае учитывают собственный вес конструкций.

Таблица 4

Расчет плоских рам пролетов

Средства

Цементно-песчаная штукатурка

Перлитовая плита

Невспучивающиеся

покрытие ОФП- МВ

Вспучивающиеся

покрытие ОЗС- МВ

Предел огнест.,

мин

45

150

45

150

45

150

45

120

Пролёт 6 м

-0,59

-1,08

-0,3

-0,44

-0,28

-0,35

-0,32

-0,55

Пролёт 12 м

-8,26

-15,07

-4,2

-6,09

-3,88

-4,85

-4,45

-7,65

Пролёт 24 м

-123,73

-225,89

-62,92

-91,33

-58,09

-72,68

-66,74

-114,59

 

Результаты расчёта показали, что на колонны нанесённые средства влияют минимально и деформации пренебрежительно малы. Большие прогибы возникают в горизонтальных балках, которые можно увидеть в таблице 6.

Ниже представлены расчеты нагрузки на конструкции (табл. 5).

Таблица 5

Нагрузка на конструкции

30к1

 

Цементно-песчаный раствор

Перлитовая плита

Невспучивающиеся

покрытие ОФП- МВ

Вспучивающиеся покрытие ОЗС-МВ

Предел огнест.,

мин

 

45

 

150

 

45

 

150

 

45

 

150

 

45

 

120

Площадь поверхн

1м, м2

 

1,774

 

1,774

 

1,774

 

1,774

 

1,774

 

1,774

 

1,774

 

1,774

Толщина

мат, м

0,025

0,06

0,015

0,05

0,015

0,045

0,008

0,032

Объём

нанес. мат., м3

 

0,04435

 

0,10644

 

0,02661

 

0,0887

 

0,02661

 

0,07983

 

0,014192

 

0,056768

Плотность нанесения

мат.,кг/м3

 

1800

 

1800

 

500

 

500

 

300

 

300

 

1230

 

1230

Масса

мат., кг

79,83

191,592

13,305

44,35

7,983

23,949

17,45616

69,82464

                                                                 20Ш1

Площадь поверхн

1м, м2

 

0,976

 

0,976

 

0,976

 

0,976

 

0,976

 

0,976

 

0,976

 

0,976

Толщ.

мат, м

0,025

0,06

0,015

0,05

0,015

0,045

0,008

0,032

Объём нанес.

мат., м3

 

0,0244

 

0,05856

 

0,01464

 

0,0488

 

0,01464

 

0,04392

 

0,007808

 

0,031232

Плотность нанес.

мат.,кг/м3

 

1800

 

1800

 

500

 

500

 

300

 

300

 

1230

 

1230

Масса

мат., кг

43,92

105,408

7,32

24,4

4,392

13,176

9,60384

38,41536

 

Таблица 6

Прогибы балок по оси Z

                                                                  30к1

 

Цементно-песчаный раствор

Перлит

Невспучивающиеся покрытие ОФП- МВ

Вспучивающиеся покрытие ОЗС-МВ

Предел огнест., мин

 

45

 

150

 

45

 

150

 

45

 

150

 

45

 

120

Площадь поверхн 1м, м2

 

1,774

 

1,774

 

1,774

 

1,774

 

1,774

 

1,774

 

1,774

 

1,774

Толщ. мат, м

0,025

0,06

0,015

0,05

0,015

0,045

0,008

0,032

Объём нанес. мат., м3

 

0,04435

 

0,10644

 

0,02661

 

0,0887

 

0,02661

 

0,07983

 

0,014192

 

0,056768

Плотность нанес. мат., кг/м3

 

1800

 

1800

 

500

 

500

 

300

 

300

 

1230

 

1230

Масса мат., кг

79,83

191,592

13,305

44,35

7,983

23,949

17,45616

69,82464

 

По результатам расчета наибольшее значение перемещений в 24 метровой балке при обработке её цементно-песчаным раствором. Данный является экономичным, но возникающие прогибы превышают допустимый предел по действующим нормам [9]. При нанесении вспучивающегося покрытия ОЗС-МВ толщиной больше 8 мм сопряжено с риском возникновения избыточных деформаций. Для расчёта нужной толщины слоя в таком случае можно воспользоваться эмпирической зависимостью, представленной далее на графике (рис. 10).

 

 

Полученные результаты могут быть использованы в строительной практике при проектировании каркасов стальных конструкций и разработке мероприятий по их защите от огня.

References

1. Krahmal'nyy T.A., Evtushenko S.I. Defekty i povrezhdeniya metallicheskih kolonn proizvodstvennyh zdaniy // Stroitel'stvo i arhitektura (2021). Tom 9. Vypusk 2 (31) 2021. - S.11-15. DOI:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2021-9-2-11-15

2. Krahmal'nyy T.A., Evtushenko S.I. Defekty i povrezhdeniya metallicheskih podkranovyh balok proizvodstvennyh zdaniy // Stroitel'stvo i arhitektura (2021). Tom 9. Vypusk 3 (32) 2021. - S. 11-15. DOI:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2021-9-3-11-15

3. Federal'nyy zakon Rossiyskoy Federacii ot 22 iyulya 2008 g. № 123-FZ «Tehnicheskiy reglament o trebovaniyah pozharnoy bezopasnosti».

4. Federal'nyy zakon Rossiyskoy Federacii ot 30 dekabrya 2009 g. № 384-FZ «Tehnicheskiy reglament o bezopasnosti zdaniy i sooruzheniy».

5. Metallicheskie konstrukcii v gidrotehnike: ucheb. izdanie / I.I. Koshin [i dr.]. - M.: ASV, 2002 S. 192

6. Golovanov V.I., Pehotikov A.V., Pavlov V.V. Obzor rynka sredstv ognezaschity metallokonstrukciy. Preimuschestva i nedostatki razlichnyh vidov - M.: Materialy Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferencii «Ognezaschita XXI veka» - 2014. S. 50.

7. Golovanov V.I., Pehotikov A.V., Pavlov V.V. Novye ognezaschitnye oblicovki dlya nesuschih stal'nyh konstrukciy - M.: Materialy XX nauchno-prakticheskoy konferen-cii, «Istoricheskie i sovremennye aspekty resheniya problem goreniya, tusheniya i obespecheniya bezopasnosti lyudey pri pozharah», VNIIPO, 2007 g., S. 227229. S. 87.

8. Damage to the Vertical Braces of Industrial Buildings / T A Krahmalny and S I Evtushenko // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 1079 (2021) 052086 DOI:https://doi.org/10.1088/1757-899X/1079/5/052086

9. Plevkov V.S., Mal'ganov A.I., Polischuk A.I. Vosstanovlenie i usilenie stroitel'nyh konstrukciy avariynyh i rekonstruiruemyh zdaniy. - 1990.

10. SP 54.13330.2011 Zdaniya zhilye mnogokvartirnye

11. SP 16.13330.2011 Stal'nye konstrukcii

12. SP 70.13330.2012 Nesuschie i ograzhdayuschie konstrukcii

13. GOST 27751-2014 Nadezhnost' stroitel'nyh konstrukciy i osnovaniy. Osnovnye polozheniya.

14. SP 2.13130.2012 «Sistemy protivopozharnoy zaschity. Obespechenie ognestoykosti ob'ektov zaschity».

15. GOST 8239-89 «Dvutavry stal'nye goryachekatanye. Sortament».

16. Metodicheskoe posobie po uchetu teplo-ognezaschity v raschetah ognestoykosti zhelezobetonnyh konstrukciy. OAO NIC «Stroitel'stvo», 2013 g.


Login or Create
* Forgot password?