Kako vatrootporne čelične konstrukcije?

Čelične konstrukcije imaju kritičnu slabost: slabu otpornost na vatru. Kako bi se osiguralo da čelične konstrukcije zadrže svoju čvrstoću i krutost tokom dužih perioda tokom požara, čuvajući živote i imovinu, u praktičnim inženjerskim projektima se često implementiraju višestruke mjere zaštite od požara.

Ovaj članak će detaljno opisati različite mjere zaštite od požara na osnovu njihovih osnovnih principa i uporediti njihove prednosti i nedostatke.

Mere zaštite od požara čeličnih konstrukcija se po principu dele u dve kategorije: metode toplotne izolacije i metode hlađenja vodom. Njihov zajednički cilj je osigurati da komponente ne pređu svoju kritičnu temperaturu u određenom vremenskom okviru. Razlika je u pristupu: metode toplinske izolacije sprječavaju prijenos topline na komponente, dok metode hlađenja vodom omogućavaju toplini da dođe do komponenti, a zatim je raspršuje kako bi se postigao cilj.

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

Važno je napomenuti da iako se čelik sam po sebi ne pali i ne gori, temperatura značajno utiče na njegova svojstva. Na 250 stepeni, udarna žilavost čelika se smanjuje; i iznad 300 stepeni, njegova tačka tečenja i krajnja čvrstoća značajno se smanjuju. U stvarnim požarima, sa konstantnim uslovima opterećenja, kritična temperatura na kojoj čelične konstrukcije gube stabilnost statičke ravnoteže je oko 500 stepeni, dok tipične temperature požara dostižu 800-1000 stepeni. Posljedično, pod visokim temperaturama požara, čelične konstrukcije brzo prolaze kroz plastičnu deformaciju, što dovodi do lokaliziranog loma i na kraju uzrokuje kolaps i kvar cijele konstrukcije.

Čelične konstrukcije moraju sadržavati mjere zaštite od požara kako bi se osigurala dovoljna otpornost na vatru. Ovo sprječava brzo zagrijavanje čeličnih komponenti na kritične temperature tokom požara, izbjegava prekomjerne deformacije koje dovode do urušavanja konstrukcije, i na taj način dobiva dragocjeno vrijeme za gašenje požara i sigurnu evakuaciju, minimizirajući gubitke uzrokovane požarom-.

Metode termičke barijere
Metode termičke barijere, kategorizirane prema vatrootpornim premazima i materijalima za inkapsulaciju, uključuju tehnike prskanja i inkapsulacije. Metoda prskanja štiti komponente premazivanjem ili prskanjem vatrostalnih premaza. Metoda inkapsulacije se dalje može podijeliti na šuplju inkapsulaciju i čvrstu inkapsulaciju.

Spray Method

Obično se vatrootporni premazi nanose ili prskaju na čelične površine kako bi se formirao-otporan sloj toplinske izolacije, čime se povećava otpornost na vatru čeličnih konstrukcija. Ova metoda nudi jednostavnu konstrukciju, malu težinu, produženo trajanje otpornosti na vatru i nije ograničena geometrijskim oblikom čeličnih komponenti. Nudi dobru -ekonomičnost i praktičnost, što ga čini širokom primjenom. Vatrootporni premazi čelične konstrukcije dolaze u različitim tipovima, široko kategorizirani u dvije klase: premazi tankog filma- klase B (tj. vatrootporni premazi čelične konstrukcije) i premazi od debelog- filma klase H.

Vatrootporni premazi klase B obično imaju debljinu premaza od 2-7mm. Njihov osnovni materijal je organska smola, koja pruža neki dekorativni efekat dok se širi i zgušnjava na visokim temperaturama. Njihova otpornost na vatru može doseći 0,5 do 1,5 sati. Vatrootporni premazi sa tankoslojnom čeličnom konstrukcijom imaju tanak premaz, malu težinu i dobru otpornost na vibracije. Za izložene unutrašnje čelične konstrukcije i lagane krovne čelične konstrukcije kod kojih je specificirana otpornost na vatru od 1,5 sati ili manje, preporučuju se vatrootporni premazi tankoslojnih čeličnih konstrukcija{11}}. Vatrootporni premazi tipa H- obično imaju debljinu premaza od 8 do 50 mm i imaju zrnastu površinu. Prvenstveno se sastoje od neorganskih termoizolacionih materijala, imaju nisku gustinu i toplotnu provodljivost. Otpornost na vatru može doseći 0,5 do 3,0 sata. Debeli{20}}strukturalni vatrootporni premazi su općenito nezapaljivi, otporni na starenje i nude pouzdanu izdržljivost. Za skrivene unutarnje čelične konstrukcije, visoke-visoke sve-čelične konstrukcije i višespratne čelične konstrukcije industrijskih postrojenja koje zahtijevaju otpornost na vatru od 1,5 sati ili više, treba odabrati debeloslojne strukturalne vatrootporne premaze.

Metoda inkapsulacije

1) Metoda šuplje inkapsulacije: Obično se koriste vatrostalne ploče ili vatrostalne cigle za oblaganje čeličnih komponenti duž njihovog vanjskog perimetra. Većina čeličnih konstrukcija u domaćim petrohemijskim postrojenjima koristi zidanje od vatrostalne cigle za zaštitu čeličnih komponenti. Ova metoda nudi visoku čvrstoću i otpornost na udar, ali ima nedostatke uključujući značajne zahtjeve za prostorom i složenu konstrukciju. Korištenje laganih vatrostalnih ploča kao što su cementne ploče-ojačane vlaknima, gipsane ploče ili vermikulitne ploče kao vatrostalne vanjske slojeve. Kutija{6}}metoda kućišta za velike čelične komponente nudi prednosti uključujući glatke i ravne završne površine, nisku cijenu, minimalni gubitak materijala, bez zagađenja okoline i otpornost na starenje, što predstavlja obećavajuće izglede za široko usvajanje.

2) Metoda čvrstog kućišta: Obično uključuje oblaganje čeličnih komponenti izlivanjem betona kako bi se u potpunosti zatvorile. Ova metoda je korištena za čelične stupove u Svjetskom finansijskom centru Pudong u Šangaju. Njegove prednosti uključuju visoku čvrstoću i otpornost na udar, ali nedostatke uključuju značajan prostor koji zauzima betonski zaštitni sloj i relativno složenu konstrukciju, posebno na čeličnim gredama i podupiračima.

Metode hlađenja vodom

Metode hlađenja vodom uključuju hlađenje vodenim sprejom i hlađenje{0}}punjeno vodom.

Hlađenje vodenim sprejom
Hlađenje vodenim prskanjem uključuje ugradnju automatskih ili ručnih sprinkler sistema iznad čelične konstrukcije. Tokom požara, aktiviranje prskalica stvara neprekidan vodeni film na površini čelika. Kada plamen dosegne površinu čelika, voda koja isparava apsorbira toplinu, odgađajući konstrukciju da postigne svoju graničnu temperaturu. Ova metoda je implementirana u građevinskoj zgradi na Univerzitetu Tongji.

Hlađenje{0}}punjeno vodom

Hlađenje{0}}punjeno vodom uključuje punjenje šupljih čeličnih elemenata vodom. Cirkulirajuća voda unutar čelične konstrukcije apsorbira toplinu koju proizvodi sam čelik, omogućavajući konstrukciji da održi niže temperature tokom požara i spriječi gubitak nosivosti-nosivosti zbog prekomjernog zagrijavanja. Da bi se spriječila korozija i smrzavanje, voda mora sadržavati inhibitore hrđe i sredstva protiv smrzavanja. Ova metoda je korištena za čelične stupove u US Steel Buildingu od 64 sprata u Pittsburghu, SAD.

Metode toplinske izolacije koriste materijale koji blokiraju toplinu{0}} kako bi usporili prijenos topline na čelične konstrukcijske komponente. Sve u svemu, izolacija nudi bolju ekonomsku održivost i praktičnost, što je čini široko prihvaćenom u stvarnim inženjerskim aplikacijama. Dok je hlađenje vodom efikasna mjera zaštite od požara, njegovi specijalizirani zahtjevi za konstrukcijski dizajn i veći troškovi ograničili su njegovu široko rasprostranjenu primjenu u inženjerskoj praksi.

Budući da se toplinska izolacija široko koristi u zaštiti od požara čeličnih konstrukcija, sljedeći dio se fokusira na poređenje prednosti i mana metoda premazivanja raspršivanjem i inkapsulacije unutar mjera toplinske izolacije.

Otpornost na vatru

U pogledu otpornosti na vatru, metoda kapsuliranja nadmašuje metodu nanošenja premaza raspršivanjem. Materijali za kapsuliranje kao što su beton i vatrostalne cigle pokazuju superiornu otpornost na vatru u poređenju sa konvencionalnim vatrootpornim premazima. Uz to, vatrootpornost novih vatrootpornih panela nadmašuje otpornost na vatru. Njihova granica otpornosti na vatru je znatno viša od one kod vatrostalnih izolacijskih materijala iste debljine za čelične konstrukcije, pa čak i premašuje granicu vatrootpornih premaza.

Trajnost

Materijali za kapsuliranje poput betona pokazuju superiornu izdržljivost, otporan na degradaciju performansi tokom vremena. Trajnost ostaje neriješen izazov za vatrostalne premaze čelične konstrukcije. Tanki i ultra{3}}tanki premazi otporni na vatru na organskoj-osnovi, bilo da se nanose u zatvorenom ili na otvorenom prostoru, mogu doživjeti razgradnju, degradaciju ili starenje svojih organskih komponenti. To dovodi do ljuštenja premaza, praškanja ili gubitka vatrootpornih svojstava.

Obradivost

Nanošenje spreja za čeličnu zaštitu od požara je jednostavno i ne zahtijeva složene alate. Međutim, premazi-naneseni sprejom nude lošu kontrolu kvaliteta-uklanjanje rđe, debljinu premaza i vlažnost okoliša je teško upravljati. Metode inkapsulacije su složenije, posebno za podupirače i grede, ali pružaju superiornu kontrolu i dosljedan kvalitet. Granice otpornosti na vatru mogu se precizno kontrolisati podešavanjem debljine materijala za kapsuliranje.

Uticaj na životnu sredinu

Nanošenje sprejom zagađuje okolinu tokom izgradnje, posebno jer se pri visokim temperaturama mogu emitovati štetni gasovi. Metode inkapsulacije ne proizvode toksične emisije tokom izgradnje, normalne upotrebe ili u uslovima požara, što doprinosi zaštiti životne sredine i bezbednosti osoblja tokom požara.

Ekonomija

Metoda prskanja ima jednostavnu konstrukciju, kratko trajanje projekta i niske troškove izgradnje. Međutim, vatrootporni premazi su skupi, a troškovi održavanja su visoki zbog problema poput starenja premaza. Metoda omatanja ima veće troškove izgradnje, ali koristi jeftine materijale i ima male troškove održavanja. Sve u svemu, metoda zamotavanja nudi bolju ekonomsku efikasnost.

Primjenjivost

Metoda prskanja nije ograničena geometrijom komponenti i široko se koristi za zaštitu greda, stupova, podnih ploča, krovnih konstrukcija i drugih komponenti. Posebno je pogodan za zaštitu od požara u sistemima prostornih konstrukcija kao što su lake čelične konstrukcije, konstrukcije prostornih okvira i nepravilne čelične konstrukcije. Metoda omatanja uključuje složenu konstrukciju, posebno za komponente kao što su čelične grede i podupirači. Općenito se češće koristi za stupove i ima manje širok raspon primjena od metode raspršivanja.

Space Occupancy

Vatrootporni premazi koji se koriste u nanošenju raspršivanjem zauzimaju minimalni volumen, dok materijali za kapsuliranje poput betona i vatrostalne cigle troše prostor, smanjujući korisnu površinu. Dodatno, materijali za enkapsulaciju su znatno teži.

Na osnovu gornje analize mogu se izvući sljedeći zaključci:

1) Odabir mjera zaštite od požara za čelične konstrukcije mora uzeti u obzir više faktora, uključujući tip elementa, poteškoće u izgradnji, zahtjeve kvaliteta, potrebe trajnosti i ekonomsku efikasnost;

2) Upoređujući nanošenje raspršivanjem i metode inkapsulacije, nanošenje prskanjem prvenstveno nudi prednosti u pojednostavljenim tehnikama konstrukcije i minimalnim promjenama izgleda komponenti nakon-nanošenja. Inkapsulacija prvenstveno nudi prednosti u nižoj cijeni, superiornoj otpornosti na vatru i trajnosti;

3) Svaka mjera zaštite od požara ima različite snage i ograničenja. U inženjerskim aplikacijama, kombinovanje više mjera može iskoristiti njihove prednosti i nadoknaditi nedostatke. Sprovođenjem različitih mjera može se uspostaviti više slojeva zaštite od požara.