Kako zaštititi čelične konstrukcije od požara?

Čelične konstrukcije imaju kritičnu slabost: slabu otpornost na požar. Kako bi se osiguralo da čelične konstrukcije zadrže svoju snagu i krutost dulje vrijeme tijekom požara, čuvajući živote i imovinu, u praktičnim inženjerskim projektima često se primjenjuju višestruke mjere zaštite od požara.

Ovaj će članak detaljno opisati različite mjere zaštite od požara na temelju njihovih temeljnih načela i usporediti njihove prednosti i nedostatke.

Mjere zaštite od požara čelične konstrukcije mogu se podijeliti u dvije kategorije na temelju načela: metode toplinske izolacije i metode hlađenja vodom. Njihov zajednički cilj je osigurati da komponente ne prijeđu svoju kritičnu temperaturu unutar određenog vremenskog okvira. Razlika leži u pristupu: metode toplinske izolacije sprječavaju prijenos topline na komponente, dok metode vodenog hlađenja dopuštaju toplini da dopre do komponenti i potom je rasprši kako bi se postigao cilj.

Ocjena vatrootpornosti čelične konstrukcije odnosi se na trajanje otpornosti na vatru tijekom standardnog ispitivanja požara, mjereno od trenutka kada je izložena vatri do gubitka stabilnosti, cjelovitosti ili toplinske izolacije.

Važno je napomenuti da iako se sam čelik ne pali niti gori, temperatura značajno utječe na njegova svojstva. Na 250 stupnjeva, udarna žilavost čelika se smanjuje; a iznad 300 stupnjeva, njegova granica tečenja i krajnja čvrstoća značajno se smanjuju. U stvarnim požarima, s konstantnim uvjetima opterećenja, kritična temperatura pri kojoj čelične konstrukcije gube stabilnost statičke ravnoteže je oko 500 stupnjeva, dok tipične temperature požara dosežu 800-1000 stupnjeva. Kao posljedica toga, pod visokim temperaturama požara, čelične konstrukcije brzo prolaze kroz plastičnu deformaciju, što dovodi do lokalnog kvara i konačnog uzroka kolapsa i kvara cijele konstrukcije.

Čelične konstrukcije moraju sadržavati mjere zaštite od požara kako bi se osigurale odgovarajuće ocjene otpornosti na vatru. Time se sprječava brzo zagrijavanje čeličnih komponenti do kritičnih temperatura tijekom požara, izbjegavaju se prekomjerne deformacije koje dovode do kolapsa konstrukcije i time se dobiva dragocjeno vrijeme za gašenje požara i sigurnu evakuaciju, smanjujući -gubitke uzrokovane požarom.

Metode toplinske barijere
Metode toplinske barijere, kategorizirane prema vatrootpornim premazima i materijalima za kapsuliranje, uključuju tehnike raspršivanja i kapsuliranja. Metoda raspršivanja štiti komponente premazivanjem ili raspršivanjem vatrootpornih premaza. Metoda kapsuliranja može se dalje podijeliti na šuplju kapsulaciju i čvrstu kapsulaciju.

Metoda prskanja

Obično se vatrootporni premazi nanose ili raspršuju na čelične površine kako bi se formirao toplinski izolacijski sloj-otporan na vatru, povećavajući ocjenu otpornosti na vatru čeličnih konstrukcija. Ova metoda nudi jednostavnu konstrukciju, malu težinu, produženo trajanje otpornosti na požar i nije ograničena geometrijskim oblikom čeličnih komponenti. Nudi dobru tro-učinkovitost i praktičnost, što ga čini širokom primjenom. Vatrootporni premazi za čelične konstrukcije dolaze u različitim vrstama, široko kategorizirani u dvije klase: tanki-slojski premazi klase B (tj. protupožarni premazi za čelične konstrukcije) i debeli-slojski premazi klase H.

Vatrootporni premazi klase B obično imaju debljinu sloja od 2-7 mm. Njihov osnovni materijal je organska smola, koja pruža određeni dekorativni učinak dok se širi i zgušnjava na visokim temperaturama. Njihova otpornost na vatru može doseći 0,5 do 1,5 sati. Vatrootporni premazi od tankog-sloja čelične konstrukcije imaju tanak premaz, malu težinu i dobru otpornost na vibracije. Za izložene unutarnje čelične konstrukcije i lagane krovne čelične konstrukcije gdje je navedena ocjena otpornosti na vatru od 1,5 sati ili manje, preporučuju se vatrootporni premazi za čelične konstrukcije s tankim-slojem. Vatrootporni premazi tipa H- obično imaju debljinu premaza od 8 do 50 mm i imaju zrnatu površinu. Prvenstveno se sastoje od anorganskih materijala za toplinsku izolaciju, imaju nisku gustoću i toplinsku vodljivost. Ocjene otpornosti na vatru mogu doseći 0,5 do 3,0 sata. Strukturni vatrootporni premazi s debelim-slojem općenito nisu-zapaljivi, otporni na starenje i nude pouzdanu trajnost. Za skrivene unutarnje čelične konstrukcije, visoko{23}}sve-čelične konstrukcije i više{26}}katne čelične konstrukcije industrijskih postrojenja za koje je potrebna ocjena otpornosti na vatru od 1,5 sati ili više, treba odabrati debeloslojne konstrukcijske vatrootporne premaze.

Metoda enkapsulacije

1) Metoda šuplje inkapsulacije: obično se koriste vatrostalne ploče ili vatrostalne opeke za oblaganje čeličnih komponenti duž njihovog vanjskog oboda. Većina čeličnih konstrukcija u domaćim petrokemijskim postrojenjima koristi zidove od vatrostalne opeke za zaštitu čeličnih komponenti. Ova metoda nudi visoku čvrstoću i otpornost na udarce, ali ima nedostatke uključujući značajne potrebe za prostorom i složenu konstrukciju. Korištenje laganih vatrostalnih ploča kao -cementnih ploča ojačanih vlaknima, gipsanih ploča ili vermikulitnih ploča kao vatrootpornih vanjskih slojeva. Metoda kutija-kućišta za velike čelične komponente nudi prednosti uključujući glatke i ravne završne površine, nisku cijenu, minimalan gubitak materijala, bez zagađenja okoliša i otpornost na starenje, što predstavlja obećavajuće izglede za široku primjenu.

2) Metoda čvrstog kućišta: obično uključuje oblaganje čeličnih komponenti izlijevanjem betona kako bi se potpuno zatvorile. Ova je metoda korištena za čelične stupove u Svjetskom financijskom centru Pudong u Šangaju. Njegove prednosti uključuju veliku čvrstoću i otpornost na udarce, ali nedostatke uključuju znatan prostor koji zauzima betonski zaštitni sloj i relativno složenu konstrukciju, osobito na čeličnim gredama i podupiračima.

Metode vodenog hlađenja

Metode vodenog hlađenja uključuju hlađenje vodenim raspršivanjem i hlađenje-punjeno vodom.

Hlađenje vodenim raspršivanjem
Hlađenje raspršivanjem vode uključuje ugradnju automatskih ili ručnih sustava raspršivanja iznad čelične konstrukcije. Tijekom požara, aktiviranje sprinklera stvara kontinuirani vodeni film na površini čelika. Kada plamen dosegne čeličnu površinu, voda koja isparava apsorbira toplinu, usporavajući konstrukciju postizanje granične temperature. Ova je metoda primijenjena u zgradi građevinarstva na Sveučilištu Tongji.

Vodeno-hlađenje

Hlađenje-punjeno vodom uključuje punjenje šupljih čeličnih elemenata vodom. Voda koja cirkulira unutar čelične konstrukcije apsorbira toplinu koju stvara sam čelik, omogućujući strukturi održavanje nižih temperatura tijekom požara i sprječavanje gubitka-nosivosti opterećenja zbog pretjeranog zagrijavanja. Kako bi se spriječila korozija i smrzavanje, voda mora sadržavati inhibitore hrđe i sredstva protiv smrzavanja. Ova je metoda korištena za čelične stupove u 64-katnoj zgradi US Steel Building u Pittsburghu, SAD.

Metode toplinske izolacije koriste materijale za{0}}blokiranje topline kako bi se usporio prijenos topline na čelične konstrukcijske komponente. Sve u svemu, izolacija nudi bolju ekonomsku održivost i praktičnost, što je čini široko prihvaćenom u stvarnim inženjerskim primjenama. Iako je vodeno hlađenje učinkovita mjera zaštite od požara, posebni zahtjevi za strukturnim dizajnom i viši troškovi ograničili su njegovu široku primjenu u inženjerskoj praksi.

Budući da se toplinska izolacija naširoko koristi u zaštiti od požara čeličnih konstrukcija, sljedeći odjeljak fokusiran je na usporedbu prednosti i nedostataka metoda premazivanja raspršivanjem i inkapsulacije unutar mjera toplinske izolacije.

Otpornost na vatru

U pogledu otpornosti na vatru, metoda kapsuliranja nadmašuje metodu premazivanja raspršivanjem. Materijali za kapsuliranje kao što su beton i vatrostalne opeke pokazuju bolju otpornost na vatru u usporedbi s konvencionalnim vatrootpornim premazima. Dodatno, otpornost na vatru novih vatrootpornih ploča nadmašuje vatrootporne premaze. Njihova granica otpornosti na vatru znatno je viša nego kod vatrootpornih izolacijskih materijala iste debljine za čelične konstrukcije, pa čak i premašuje granicu protupožarnih premaza koji bubre.

Izdržljivost

Materijali za kapsuliranje kao što je beton pokazuju vrhunsku izdržljivost, otporan na degradaciju performansi tijekom vremena. Trajnost ostaje neriješen izazov za vatrootporne premaze čeličnih konstrukcija. Organski{2}}tanki i ultra-tanki vatrootporni premazi, bilo da se nanose unutar ili na otvorenom, mogu doživjeti raspadanje, degradaciju ili starenje svojih organskih komponenti. To dovodi do ljuštenja premaza, stvaranja praha ili gubitka protupožarnih svojstava.

Obradivost

Nanošenje raspršivanjem za zaštitu od požara čelika je jednostavno i ne zahtijeva složene alate. Međutim, premazi-naneseni prskanjem nude lošu kontrolu kvalitete-uklanjanje hrđe, debljinu premaza i vlažnost okoline teško je kontrolirati. Metode inkapsulacije su složenije, posebno za podupirače i grede, ali pružaju vrhunsku upravljivost i dosljednu kvalitetu. Granice otpornosti na vatru mogu se precizno kontrolirati podešavanjem debljine materijala za kapsuliranje.

Utjecaj na okoliš

Nanošenje raspršivačem zagađuje okoliš tijekom gradnje, posebice jer se pod visokim temperaturama mogu ispuštati štetni plinovi. Metode kapsuliranja ne proizvode toksične emisije tijekom izgradnje, normalne uporabe ili u uvjetima požara, što doprinosi zaštiti okoliša i sigurnosti osoblja tijekom požara.

Ekonomija

Metoda prskanja karakterizira jednostavna konstrukcija, kratko trajanje projekta i niski troškovi izgradnje. Međutim, vatrootporni premazi su skupi, a troškovi održavanja visoki zbog problema poput starenja premaza. Metoda omatanja ima veće troškove izgradnje, ali koristi jeftine materijale i uzrokuje niske troškove održavanja. Općenito, metoda omatanja nudi bolju ekonomsku učinkovitost.

Primjenjivost

Metoda prskanja nije ograničena geometrijom komponenti i naširoko se koristi za zaštitu greda, stupova, podnih ploča, krovnih konstrukcija i drugih komponenti. Posebno je prikladan za zaštitu od požara u prostornim konstrukcijskim sustavima kao što su lake čelične konstrukcije, prostorne okvirne konstrukcije i nepravilne čelične konstrukcije. Metoda omatanja uključuje složenu konstrukciju, posebno za komponente poput čeličnih greda i nosača. Općenito se češće koristi za stupove i ima manje širok raspon primjena od metode raspršivanja.

Zauzetost prostora

Vatrootporni premazi koji se koriste u prskanju zauzimaju minimalni volumen, dok materijali za kapsuliranje poput betona i vatrootpornih opeka zauzimaju prostor, smanjujući korisnu površinu. Osim toga, materijali za kapsuliranje znatno su teži.

Na temelju gore navedene analize mogu se izvući sljedeći zaključci:

1) Odabir mjera zaštite od požara za čelične konstrukcije mora uzeti u obzir više čimbenika, uključujući vrstu elementa, poteškoće konstrukcije, zahtjeve kvalitete, potrebe trajnosti i ekonomsku učinkovitost;

2) Uspoređujući metode nanošenja raspršivanjem i inkapsulacije, nanošenje raspršivanjem primarno nudi prednosti u pojednostavljenim tehnikama konstrukcije i minimalnim promjenama u izgledu komponente nakon-nanošenja. Enkapsulacija prvenstveno nudi prednosti u nižoj cijeni, vrhunskoj otpornosti na vatru i trajnosti;

3) Svaka mjera zaštite od požara ima različite prednosti i ograničenja. U inženjerskim primjenama, kombiniranje više mjera može iskoristiti njihove prednosti i nadoknaditi nedostatke. Provedbom različitih mjera moguće je uspostaviti više slojeva zaštite od požara.