Огнезащита металлических конструкций

Для повышения огнестойкости металлических конструкций производят их огнезащиту. Действие любого способа огнезащиты основано на замедлении прогрева металла за счёт создания препятствий поступающему тепловому потоку. Как правило, необходимый эффект достигается установкой между источником огня и поверхностью конструкции слоя материала с малой температуропроводностью а = l/ с_р r. Действие тяжёлых огнезащитных материалов (кирпич, бетон) основывается на их значительной объёмной теплоёмкости с_р r, лёгких (гипсокартон, минераловатные плиты) – на малой теплопроводности l. Кроме того, огнезащитные материалы на минеральных вяжущих (гипсовых, портландцементных и др.) способствуют замедлению прогрева за счёт поглощения тепла на испарение содержащейся в их составе воды.

Всё многообразие применяемых в настоящее время способов огнезащиты металлических конструкций можно разделить, в соответствии с терминологией ГОСТ Р 53295 [10], на две основные группы:

· конструктивная огнезащита – облицовка защищаемой поверхности негорючими материалами (обетонирование, оштукатуривание, обкладка кирпичом, листовыми и плитными материалами, устройство экранов на относе, подвесных потолков и др.);

· огнезащитная обработка – нанесение на защищаемую поверхность огнезащитных составов (покрытий), осуществляемое путём окраски, обмазки, напыления и т.п.

Выбор конкретных способов и средств огнезащиты зависит от величины требуемого предела огнестойкости, типа защищаемой конструкции, её назначения и условий эксплуатации, ограничений по весу огнезащиты (например, в высотных зданиях). Весьма эффективной является комбинированная огнезащита, сочетающая преимущества различных способов.

Преимущество огнезащитных покрытий состоит в возможности достаточно быстрого механизированного нанесения на защищаемую поверхность, однако нанесению состава предшествует тщательная обработка поверхности: очистка от ранее нанесённых покрытий и ржавчины, обезжиривание и огрунтовка. Кроме того, огнезащитные покрытия, как правило, сохраняют свою эффективность в течение лишь ограниченного срока эксплуатации (2…4 года), а значит, периодически нуждаются в восстановлении или проведении повторной обработки.

Состояние огнезащитной обработки должно проверяться не реже двух раз в год (п. 36 ППБ 01-03 [8]), а применение огнезащитной обработки в местах, исключающих возможность восстановления после истечения гарантийного срока эксплуатации, не допускается (п. 4.8 ГОСТ Р 53295 [5]). По данным аналитиков рынка[53], необходимость периодического восстановления поддерживает непрерывный спрос на огнезащитные составы, однако ежегодные расходы на их приобретение в Российской Федерации не менее чем в 10 раз превышают размер прямого материального ущерба от пожаров. Все перечисленные аспекты указывают на преимущества конструктивных способов огнезащиты.

Внесённые за последнее десятилетие изменения в нормах проектирования устанавливают применение для ряда объектов только конструктивной огнезащиты (например, п. 6.5.3, 6.6.3 СП 2 [5], п. 14.25 МГСН 4.09-05, п. 7.1.3 СНиП 31-01-2003, п. 6.3.2 СНиП 31-05-2003, п. 1.22 СНиП 2.09.04-87*).

Традиционные огнезащитные облицовки из кирпича, бетона и цементно-песчаной штукатурки – относятся к тяжёлым и существенно увеличивают массу конструкции. Однако обетонирование и обкладка кирпичом являются наиболее надёжными и долговечными способами; эти облицовки не боятся сырости и атмосферных воздействий, устойчивы к динамическим нагрузкам.

Слой тяжёлого бетона (2500 кг/м³) или цементно-песчаной штукатурки (1800 кг/м³) толщиной 2,5 см обеспечивают предел огнестойкости R45; 6 см – R150. Облицовка колонн из кирпича (глиняного обыкновенного или силикатного) на цементно-песчаном растворе слоем в ¼ (65 мм) или ½ (120 мм) кирпича обеспечивает предел огнестойкости соответственно R120 и R150.

Во избежание преждевременного обрушения облицовки из бетона или штукатурки её армируют сеткой; с той же целью в швах кирпичной кладки размещают стальные анкеры или хомуты. Для кирпичной облицовки важно обеспечить перевязку швов в каждом ряду, тщательное заполнение вертикальных швов раствором и температурный зазор между металлической конструкцией и кладкой, поскольку температурное расширение металла больше, чем у кирпичной кладки, в 3 раза.

Лёгкие огнезащитные облицовки из листовых или плитных материалов (гипсокартонных листов, полужёстких минераловатных плит (МВП), перлитофосфогелевых плит, цементно-вермикулитовых плит и др.) укрепляются с помощью стальных анкеров и каркаса. Минераловатная плита толщиной 5 см обеспечивает предел огнестойкости конструкции R120, однако нуждается в дополнительной декоративной облицовке.

Этого недостатка лишена широко применяемая в последнее время огнезащитная облицовка конструкций гипсокартонными листами. Два слоя гипсокартона могут обеспечить предел огнестойкости R45; 4 слоя – R90. Каждый слой гипсокартона толщиной 12-14 мм повышает предел огнестойкости примерно на 18…25 мин. Многослойная защита более надёжна, кроме того, её предел огнестойкости выше, чем сумма пределов огнестойкости отдельных слоёв. Гипсокартонные листы крепятся к стальным направляющим из холодногнутых профилей самонарезающими винтами. Для обеспечения высоких показателей по огнестойкости необходимо обращать внимание на качество выполнения узлов примыкания облицовки к стенам, перегородкам и потолкам; в указанных местах возможно устройство дополнительных теплоизоляционных поясов из минеральной ваты.

Ассортимент производимого в настоящее время гипсокартона весьма обширный[54]:

обычный гипсокартонный лист – ГКЛ (серый, синий) применяется в зданиях и помещениях с сухим и нормальным режимом влажности;

огнестойкий гипсокартон ГКЛО (серый, красный) ­– отличается повышенной сопротивляемостью воздействию открытого пламени благодаря специальным армирующим добавкам в материале сердечника;

влагостойкий гипсокартон ГКЛВ (зеленый, синий) – выполнен с применением специального картона, гидрофобных и антигрибковых добавок в материале сердечника, применяется в зданиях и помещениях с высоким уровнем влажности при наличии вытяжной вентиляции и защиты лицевой поверхности от действия влаги;

гипсокартон ГКЛВО (красный) – влагостойкий гипсокартон с повышенной сопротивляемостью воздействию открытого пламени;

гипсоволокнистый лист ГВЛ – армирован целлюлозным волокном, применяется в случаях, когда предъявляются повышенные требования к виду наружной поверхности.

Пределы огнестойкости конструкций с огнезащитными облицовками должны определяться по ГОСТ 30247.1 [9]. Данные о пределах огнестойкости перегородок с применением гипсоволокнистых листов можно найти в [18] и СП 55-102-2001[55].

Огнезащитные подвесные потолки, как правило, служат не только для повышения огнестойкости конструкций перекрытий и покрытий, но и для улучшения интерьера и акустических качеств помещений, размещения коммуникаций и осветительных приборов.

Подвесные потолки выполняются из минераловолокнистых, гипсокартонных, минераловатных и других плит по стальному каркасу. Огнезащитное действие подвесного потолка обеспечивается не только за счёт изолирующей способностью облицовки, но и воздушного зазора между облицовкой и защищаемой конструкцией; увеличение зазора повышает огнезащитную эффективность.

Пределы огнестойкости подвесных потолков устанавливают по ГОСТ Р 53298-2009[56]. Предел огнестойкости перекрытий и покрытий с подвесными потолками устанавливают по ГОСТ 30247.1 [9].

Класс пожарной опасности подвесного потолка с металлическим каркасом и с негорючим теплоизоляционным материалом можно без испытаний принимать К0.

Для повышения предела огнестойкости или снижения пожарной опасности перекрытий и покрытий следует применять подвесные потолки с пределом огнестойкости не менее EI 15 при классе пожарной опасности К0.

Каркасы подвесных потолков в помещениях и на путях эвакуации следует выполнять только из негорючих материалов (ч. 5 ст. 134 123-ФЗ [2]).

Противопожарные перегородки в помещениях с подвесными потолками должны разделять пространство над ними. В пространстве над подвесными потолками не допускается предусматривать размещение каналов и трубопроводов для транспортирования горючих газов, пылевоздушных смесей, жидких и твердых материалов. Подвесные потолки не допускается предусматривать в помещениях категорий А и Б по пожаровзрывоопасности и пожарной опасности (ч. 5-7 ст. 137 123-ФЗ [2]).

В зависимости от вида и толщины материала облицовки подвесного потолка, а также способа его крепления можно обеспечить предел огнестойкости конструкции от R30 до R120. Более огнестойкими являются многослойные подвесные потолки со скрытым каркасом и герметичными стыками (рис. 6.1, 6.2).

в)

а)

б)

Рис. 6.1. Конструкции подвесного потолка американской фирмы Armstrong: а – открытый каркас; б, в – скрытый каркас

 

Устройство сквозной перфорации в плитах облицовки снижает огнезащитную эффективность потолка более чем в 2 раза [28].

Огнестойкие подвесные потолки, предлагаемые зарубежными производителями, обладают достаточно высокой огнезащитной эффективностью (классы огнестойкости F30, F60, F90, F120 по DIN 4102). Потолок с заполнением из минеральной ваты (см. рис. 6.2,б) не только защищает несущие конструкции и проходящие под потолком коммуникации в случае возникновения пожара в помещении, но и само помещение при возникновении пожара в межпотолочном пространстве. Наиболее высокой огнестойкостью обладают двухуровневые подвесные потолки (см. рис. 6.2,в).

б)

а)

в)

Рис. 6.2. Конструкции огнезащитных подвесных потолков немецкой фирмы Knauf

 

Подвесные потолки европейских производителей, как правило, снабжены противопожарными фиксаторами, предотвращающими выпадение облицовочных элементов при температурном расширении стальных направляющих. Американские производители, напротив, используют этот эффект для тушения пожара: спринклерные системы, установленные за подвесным потолком, во время пожара увлажняют облицовочные плиты и заставляют их упасть вниз, накрывая собой очаги огня; после этого открывшиеся спринклеры гасят оставшееся пламя. Для усиления эффекта используются невлагостойкие плиты, однако в процессе эксплуатации потолка в помещениях с плохой вентиляцией или повышенной влажностью эта особенность оборачивается негативной стороной: плиты накапливают влагу и быстро провисают.

Невспучивающиеся огнезащитные покрытия представляют собой облегчённые (200…600 кг/м³) штукатурки, в которых применяются лёгкие термостойкие заполнители (вермикулит, перлит, керамзит, базальтовые волокна и др.), а в качестве связующего используется жидкое стекло, фосфатные вяжущие, гипсовые, известковые, портландцементные или полимерцементные растворы. Облегчённые штукатурки наносят по сетке вручную или механизированным способом. Толщина покрытия от 15 до 50 мм способна обеспечить предел огнестойкости от R45 до R150. По сравнению с бетоном масса штукатурки оказывается ниже в 10 раз при сохранении той же огнезащитной эффективности. Однако облегчённым штукатуркам свойственно слабое сцепление с защищаемой поверхностью и малая механическая прочность, а следовательно, необходимость дополнительной защиты слоем декоративного материала.

До середины 70-х годов прошлого века в огнезащитных штукатурках широко применялся хризотиловый асбест. Однако этот материал является сильным канцерогеном и приводит к развитию ряда смертельных заболеваний. Наиболее опасное воздействие на здоровье человека оказывает концентрация волокон асбеста в воздухе. В настоящее время применение асбеста в большинстве стран законодательно запрещено или ограничено.

К экологически чистым наполнителям относятся вермикулит и перлит – природные слоистые минералы из семейства гидрослюд. Происходящее при нагреве испарение межплоскостной воды приводит к вспучиванию минерала – первоначальный объём увеличивается более чем в 20 раз. Огнезащитный эффект достигается за счёт термостойкости и теплоизолирующей способности вспученного слоя, а также расхода тепла на испарение воды. Для устройства огнезащитных покрытий вермикулит и перлит используются как во вспученном, так и невспученном виде.

В нашей стране наибольшее распространение получили огнезащитные покрытия на основе жидкостекольного связующего. Первым из них стал разработанный в 1978 году в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко состав ОФП-ММ (ГОСТ 23791-79) с асбестовым наполнителем, повышающий предел огнестойкости металлоконструкций до R120. В результате последующей замены асбеста в рецептуре покрытия другими эффективными материалами было разработано большое количество огнезащитных составов, и некоторые из них применяются до сих пор, например, покрытия с наполнителем из минеральных волокон ОФП-МВ (ГОСТ 25665-83), ОФПМ-12.

Жидкое стекло при высокой температуре обладает способностью реагировать с окислами наполнителей с образованием жаростойких соединений. Однако вследствие высокой плотности структуры такое покрытие обладает повышенной хрупкостью, а также значительной усадкой при увлажнении и высушивании, приводящей к отслаиванию от защищаемой поверхности. Кроме того, вследствие кристаллизации жидкого стекла на поверхности покрытия возможно появление высолов, которые не только ухудшают его внешний вид, но и снижают огнезащитную эффективность. Штукатурные смеси на жидком стекле, а также на извести и гипсе допускается использовать в помещениях с относительной влажностью не более 60%. В зарубежной практике составы на основе жидкого стекла в качестве огнезащиты практически не используются.

Вспучивающиеся (терморасширяющиеся) огнезащитные покрытия наносятся на поверхность слоем 2…4 мм, а при действии высокой температуры (170-250°С) увеличиваются в объёме в 10…40 раз с образованием пористого теплоизолирующего слоя толщиной до 50 мм. По мере огневого воздействия образовавшийся пенококсовый слой постепенно выгорает и может отрываться от конструкции. В зависимости от вида и расхода состава удаётся обеспечить предел огнестойкости конструкции от R30 до R120.

Первым вспучивающимся покрытием в нашей стране стал разработанный во ВНИИПО водоэмульсионный состав ВПМ-2 (ГОСТ 25131-82), который наносился слоем 4 мм и обеспечивал предел огнестойкости R45. В настоящее время покрытие ВПМ-2 не используется, однако широкое применение находит разработанный в тот же период огнезащитный состав ОЗС-МВ (ГОСТ 25665-83) на основе жидкого стекла, минеральных волокон и вспучивающих пенообразующих добавок.

Состав современных огнезащитных покрытий весьма разнообразен – от водной дисперсии с неорганическими и органическими наполнителями до красок на органическом растворителе с минеральными добавками. Огнезащитные покрытия, как правило, могут выполнять и декоративные функции – специальные добавки-пигменты позволяют придать поверхности нужный цвет, однако нанесение поверх огнезащитного покрытия дополнительных окрасочных слоёв без проведения сертификационных испытаний, подтверждающих огнезащитную эффективность данного комплекса, не допускается.

Справочные данные о пределах огнестойкости металлических конструкций с огнезащитой представлены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Пределы огнестойкости металлических конструкций с огнезащитой

Метод огнезащиты	Огнезащитный материал	Средняя плотность, кг/м^3	Толщина огнезащитного материала, мм, при требуемых пределах огнестойкости
R45	R60	R90	R120	R150
Облицовка	Кирпич
Бетон
Гипсокартон					-	-
Оштукатуривание	Цем.-песчаная штукатурка
Перлитовая штукатурка
Нанесение покрытий	Невспучивающееся покрытие ОФП-МВ
Вспучивающееся покрытие ОЗС-МВ						-

 

Сравнительной характеристикой средств огнезащиты является группа огнезащитной эффективности, определяемая по ГОСТ Р 53295-2009 [10] (табл. 6.2).

Таблица 6.2

Группы огнезащитной эффективности по ГОСТ Р 53295-2009 [10]

Группа огнезащитной эффективности составов для стальных конструкций	Минимальное время достижения критической температуры (500°С) ненагруженного образца в условиях стандартного испытания

 

Группа огнезащитной эффективности определяется по минимальному времени достижения условной критической температуры (500°С) ненагруженного образца (двутавра №24) в условиях его нагрева по стандартному режиму. Однако время, соответствующее группе огнезащитной эффективности, не следует отождествлять с пределом огнестойкости защищаемой конструкции, который определяется в нагруженном состоянии.

Следует заметить, что группа огнезащитной эффективности – понятие исключительно сертификационное, никоим образом не связанное с пределом огнестойкости конструкции, как бы этого не хотелось многим проектировщикам, которые на основании сертификата огнезащитной эффективности состава рассчитывают требуемую толщину огнезащиты для достижения предела огнестойкости металлической конструкции[57].

Более подробно вопросы огнезащиты металлических конструкций изложены в [13; 14; 20], экспериментальные данные о пределах огнестойкости приведены в [18; 22].

Специальные способы. Среди специальных способов огнезащиты стоит отметить водяное охлаждение конструкций, реализуемое либо орошением их водой снаружи, либо циркуляцией воды во внутренних полостях. В последнем случае колонны и ригели каркаса здания объединяются в замкнутую сеть и заполняются водой, постоянный уровень которой поддерживается с помощью вышерасположенного резервуара. За счёт подъёма нагретой в очаге пожара воды устанавливается естественная циркуляция, которая отводит тепло от нагретых конструкций. При правильной организации процесса циркуляции и охлаждения жидкости может быть достигнута достаточно высокая огнестойкость конструкций. В обычных условиях такая система может служить для создания искусственного климата в помещении. Водонаполненные конструкции использованы, в частности, в Центре Помпиду в Париже.