Защита конструкций высотных зданий от пожара и взрыва штукатурными составами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Защита конструкций высотных зданий от пожара и взрыва штукатурными составами

Гравит Марина Викторовна

Высотные здания и многофункциональные комплексы разделяются на пожарные отсеки по их функциональному назначению, по площади этажа, а также по высоте здания. Границами пожарных отсеков являются противопожарные преграды, в качестве которых используются противопожарные стены и перекрытия с нормируемыми пределами огнестойкости. Требуемые показатели пределов огнестойкости строительных конструкций для конкретных зданий определяются в зависимости от его назначения, высоты, а также величины проектной горючей нагрузки. Так, на упомянутых объектах пределы огнестойкости противопожарных преград запроектированы от 3 до 4 ч [1].

Возведение высотных зданий требует повышенных мер по пожарной безопасности. Одной из важнейших задач является защита несущих строительных конструкций от воздействия опасных факторов пожара с целью предотвращения их преждевременного (до ликвидации пожара) обрушения. В связи с этим актуальна тема повышения огнестойкости конструкций, например, за счет нанесения штукатурных составов на несущие части здания.

Строительные конструкции характеризуются огнестойкостью и пожарной опасностью [2]. Предел огнестойкости конструкции - это время, в течение которого конструкция при стандартном пожаре продолжает выполнять свое проектное предназначение [1].

В России и мире нет единых критериев классификации зданий по этажности, поэтому в данной работе принято считать, что здание повышенной этажности - от 6 этажей и выше. В России практика многоэтажного массового строительства и нормы проектирования ориентированы на высоту зданий не более 75 м [3]. В силу своей специфики такие здания имеют большую степень потенциальной пожарной опасности для людей, находящихся в них, по сравнению со зданиями обычной этажности -- в них сильно затрудняется эвакуация, а также возрастает сложность борьбы с пожарами [4,5].

Степень надежности высотных объектов в немалой степени определяется способностью несущих конструкций сопротивляться воздействию высоких температур, то есть таким параметром, как предел огнестойкости [6]. В настоящее время, как правило, в специльных технических условиях на проектирования подобных зданий [7] установлены следующие значения пределов огнестойкости: для зданий высотой до 100 м -- 180 минут, для более высоких зданий -- 240 минут [8].

Высотные здания из железобетона отличаются значительной массой, которая вызывает значительные нагрузки на грунт. Железобетонные конструкции в виде колонн имеют более высокую огнестойкость, однако, они, как и стальные, в условиях предельных нагрузок подвержены практически мгновенному обрушению [9,10].

Если наружные слои бетона прогреваются выше t> 600 градусов, то предел их прочности становится ниже напряжений от внешней нагрузки, и эти слои в работе колонны практически перестают участвовать по восприятию внешней нагрузки. Поэтому нагрузку воспринимает лишь бетон центральной части поперечного сечения колонны, т. е. условно её в это время можно считать не железобетонной, а бетонной.

Наиболее простыми в реализации являются способы повышения огнестойкости строительных конструкций и элементов внутренней отделки путем пропитки защищаемых поверхностей специальными огнезащитными составами (пропитки, краски и лаки) и защита огнестойкими штукатурками[3,11]. При этом необходимо особенно тщательно относиться к качеству использованного огнезащитного покрытия в виду его особой ответственной задачи.

Для определения фактического технического состояния конструкций практически всегда выполняется визуальное обследование [12, 13]. В [10] Roger G. Morse обследовал огнезащиту в обеих башнях Всемирного торгового центра в период с 1990-х по начало 2000 года. При осмотрах 90-х годах выявлено плохое состояние покрытия. Возможно, это связано с отсутствием обеспечения качества испытаний на должном уровне. ВТЦ был построен до того, как были приняты нормы и стандарты огнестойкости [14]. Одной возможных причин обрушения башен ВТЦ стало прогрессирующее разрушение здания [15]: последняя лавинообразная стадия развивающегося во времени процесса последовательного накопления повреждений или деформаций структурных элементов объекта, приводящих к потере устойчивости и геометрической неизменяемости объекта в целом [16,17,18].

В.М. Ройтман [15] называет одной из главных причин обрушения башен ВТЦ -- прогрессирующее разрушение здания, применяет термин «особое воздействие на объект» - исключительное воздействие, резко отличающееся от обычных условий существования объекта. В [15,16,17] предлагается блок мер по защите высотных зданий от прогрессирующего высотного разрушения, нормирование огнестойкости конструкции высотных зданий, обеспечение взрывозащиты высотных зданий от возможных внутренних взрывов.

В [19] освещается проблема обеспечения огнестойкости строительных конструкций, которая особенно актуальна для металлических конструкций, а также легких ограждений зданий и сооружений различного назначения. В [20] изложены уникальные характеристики небоскребов с точки зрения безопасности, проводится оценка рисков, в [20] также содержатся рекомендации по управлению функциями безопасности жизнедеятельности, в том числе при разработке планов реагирования на чрезвычайные ситуации [20].

В [21] рассмотрены ряд вопросов по защите людей, зданий и окружающей среды от огневого воздействия. Через конкретные примеры представлены варианты снижения потенциального ущерба от пожара за счет надлежащего проектирования и строительства зданий путём интегрирования огнезащитной инженерии в механическую, электрическую и химическую инженерию. J. H. Sun [22] в своей статье говорит о том, что высотные здания из-за своих особенностей подразумевают высокую опасность при пожарах. Риск связан с проблемами во время эвакуации и пожаротушения из-за высотности и недоступности очагов пожара [22].

Согласно нормам Российской Федерации [2,8,23,19] при проектировании высотных зданий нет возможности оценивать в явном виде время сопротивления объекта до наступления прогрессирующего разрушения. В.А. Маковей [24] предлагает расширение возможности применения различных архитектурных и конструкторских решений, которые бы позволили ограничить или исключить вероятность распространения пожара по строительным конструкциям, строительным материалам и другой продукции, а также ослабить воздействие опасных факторов пожара на людей и материальные ценности. В [25] на примере Shanghai tower, супер высотного здания (632м), с особым видом ядра и каркаса с использованием аутригерных конструкций, были рассмотрены различные действия при нескольких сценариях пожара: стандартные пожары и реальные пожары. Результаты показывают, что Шанхайская башня имеет минимум 3 ч огнестойкости от пожаров [25]. Н.Г.Шишацкая [26] показала преимущества пассивных способов огнезащиты, таких как облицовка огнезащитными материалами, наиболее отвечающих повышенным требованиям пожарной безопасности зданий и способных обеспечить высокий предел огнестойкости строительных конструкций и инженерных сетей. В России строится высотное здание «Лахта-центр» высотой 462 м, с пределами огнестойкости несущих железобетонных конструкций 180 и 240 минут [27].

Таким образом, исходя из опыта проектирования, эксплуатации высотных зданий и экономических решений, наиболее подходящим способом является оштукатуривание [28].

Существует множество доступных технологий, которые могут быть использованы в зависимости от конкретного типа здания. Основным показателем штукатурных материлов является «прочность связи» (bond strength), она же когезия. Граничное значение 1000 psf = 47,88025 кПа для зданий высотой свыше 420 футов (128 м) [29]. А для зданий высотой ниже 420 футов (128 м) граничное значение прочности связи 430 psf=20,597 кПа [29]. По американским нормам аналогичные по насыпной плотности (до 240 кг/куб.м) и способу нанесения ОЗС, например, марок Monokote MK-6 GF, Monokote MK-6/HY, Monokote Z-106/G (производитель: Grace, США) не допускаются к применению при высотном строительстве на объектах выше 128 м [30].

Цементно-песчаная штукатурка толщиной 25-60 мм, наносимая по стальной сетке, используется для повышения предела огнестойкости металлических конструкций до 2-х и более часов. При толщине 40-60 мм штукатурку армируют двойной сеткой, что предохраняет ее от преждевременного обрушения при пожаре [31].

Важнейшие свойства штукатурок могут быть легко изменены посредством введения в смесь добавок [32]. Как показали испытания, образцы вермикулитового раствора с объемным весом от 500 до 800 кг/куб. м, нагретые до температуры 900-1000°С и помещенные в воду, не растрескиваются и сохраняют достаточную прочность, в то время как образцы из ячеистых бетонов при таких же условиях полностью разрушаются. Огнезащитная эффективность вермикулитовых растворов в 4 раза выше, чем песчаных. Так, предел огнестойкости покрытий и перекрытий, равный 1,5 ч, обеспечивается при толщине слоя вермикулитового раствора 8 мм (таблица 1).

Вспученный вермикулит (вермикулит) представляет собой сыпучий, пористый материал в виде чешуйчатых частиц, получаемых ускоренным обжигом вермикулитового концентрата - гидрослюды, содержащей между элементарными слоями связанную воду. Пар, образующийся из этой воды, раздвигает пластинки слюды, увеличивая первоначальный объем зерен в 6-15 и более раз [33,34]. Уникальные его технические характеристики - это температуростойкость, огнестойкость, отражающая способность, химическая инертность. При повышенной температуре, возникающей при пожарах, не выделяет никаких газов, что является важным преимуществом по сравнению с другими известными материалами органического происхождения [34].

Таблица 1. Огнестойкость строительных отделочных материалов

Таблица 2. Составы и свойства огнезащитных вермикулитовых строительных растворов

Для приготовления указанных составов применяют портландцемент марки не ниже М-400, строительный гипс марки не ниже Г5 и вермикулит фракции 0.6-2 мм. или мелкодисперсный -- до 0.6 мм.

Более эффективными огнезащитными свойствами обладают штукатурные смеси на основе вспученного вермикулита и глиноземистого цемента (М-400) с добавлением асбеста.

Такие штукатурные покрытия относятся к группе жаростойких и выдерживают температуры более 800°С, см таблицу:

Таблица 3. Рекомендуемые составы огнезащитных вермикулитовых штукатурных растворов

Штукатурные растворы на цементе можно применять как внутри помещений, так и снаружи. Составы и окрасочные композиции на жидком стекле и гипсе -- только для внутренних работ, в помещениях с влажностью не более 85%.

В таблице 4, 5 приведены наиболее известные штукатурки для повышения предела огнестойкости несущих конструкций зданий.

Таблица 4. Сравнительные характеристики штукатурных составов.

Таблица 5. Monokote® (Grace, США)

Перспективы развития огнезащитных штукатурных составов:

создание материалов невысокой плотности, которые образуют легкое покрытие и не оказывают существенной дополнительной нагрузки на несущие конструкции.

разработка методики определения толщины покрытия в зависимости от толщины метала и требуемой огнестойкости стальных конструкций, которая будет позволять произвести расчет при разработке проекта огнезащиты конструкций быстро и точно.

повышение адгезии и когезии штукатурок. При соблюдении требований нормативной документации материал должен не растрескиваться и не отслаиваться. Образование покрытия без стыков и температурных мостиков[39]. конструкция огнеупорный штукатурка долговечность

При проектировании высотных зданий необходимо рассматривать вероятность возникновения чрезвычайных ситуаций, во время которых здание будет испытывать одновременно несколько различных нагрузок. Отсюда вытекает необходимость применения в нормах специальных, обязательных регламентаций, описывающих сопротивления объектов особым воздействиям до наступления их предельного состояния по потере несущей способности. В отличие от нормативных документов РФ, часть которых является переводом соответствующих зарубежных стандартов, в международной практике обеспечения безопасности зданий уже имеется положительный опыт применения данных регламентаций.

В нормах эти регламентации нашли воплощение в виде специальной характеристики «огнестойкости» конструкций и зданий как способности этих объектов в течение определенного периода времени сопротивляться комбинированному особому воздействию рабочих нагрузок на конструкцию и высокотемпературного воздействия пожара. Нормы, описывающие прочность связи [30] в США, были приняты прежде всего, как антитеррористические. При интенсивном огневом воздействии конвекционными потоками легкая штукатурка «сдувается» и если до пожара была ударная волна - легкая штукатурка будет ею повреждена.

В связи с этим огнезащитные штукатурки должны обладать повышенной адгезией и когезией.

В нормах [40] указывается, что для зданий, на которые отсутствуют требования пожарной безопасности, а также для зданий массового пребывания людей высотой более 75 м, зданий других [39] высотой более 50 м и зданий с числом подземных этажей более одного, должны быть разработаны специальные технические условия, отражающие специфику их противопожарной защиты, включая комплекс дополнительных инженерно-технических и организационных мероприятий. Специальные технические условия должны обосновываться необходимыми расчетами.

Для зданий высотой более 75 метров должны быть обеспечен класс конструктивной пожарной опасности С0 и степень огнестойкости здания 1.

Для зданий высотой более 100 м предел огнестойкости несущих конструкций рекомендуется установить не менее 4 часов, конструкции должны сопротивляться до температуры 1100єС. Вследствие чего необходимо ужесточать все требования по огнестойкости здания.

При установлении пределов огнестойкости конструкций в целях определения возможности их применения, в соответствии с противопожарными требованиями нормативных документов (в том числе сертификации), следует применять методы установленные стандартом [36,41] Исходя зарубежного проектирования, для зданий с первой степенью огнестойкости здания необходимо обеспечить предел огнестойкости строительных конструкций выше: R120 для несущих элементов здания; REI60 для перекрытий между этажами и над подвалами; REI120 для лестничных клеток [8,42].

Список литературы

1. П. В. Трофимов, Н. В. Шилкин. Противопожарная защита высотных жилых комплексов. АВОК №3'2006 / МИКРОКЛИМАТ В ПОМЕЩЕНИЯХ

2. ФЗ-123 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности», 2008

3. Т.Г. Маклакова, Н.И. Сенин. Научно - образовательный материал «Архитектурно-конструктивные и градостроительные проблемы проектирования высотных зданий». МГСУ Москва 2009.

4. Сторожук Л.Н., Борзаков Н.М., Томаков М.В. [и др.] Обеспечение пожарной безопасности жилых зданий // Молодёжь и XXI век: материалы I Международной молодёжной научной конференции. Ч. 1. -- Курск, 2009. -- С. 85-89.

5. MA Qian-li, HUANG Ting-lin Analysis of and Study on the Difficulties in the Fire Protection Design of Large Commercial Complex (2011) Procedia Engineering, Volume 11, pp. 302-307.

6. Strakhov V.L., Garashchenko A.N. Fire protection of building structures: modern means and methods of optimal design [Ognezashchita stroitel'nykh konstruktsiy: sovremennye sredstva i metody optimal'nogo proektirovaniya] (2002) Stroitel'nye materialy №6, pp. 2-5.

7. О.А. Халявин, М.В. Гравит, А.А. Пряникова; Разработка специальных технических условий в части обеспечения безопасности многофункциональных высотных зданий и комплексов. Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого НЕДЕЛЯ НАУКИ СПбПУ 2015

8. МГСН Московские городские строительные нормы, 1998.

9. Бикбау Ян Марсельевич, Бикбау Марсель Янович; патент- Высотное здание (RU 2350717)

10. Kolarkar, M. Mahendran, Experimental studies of non-load bearing steel wall systems under fire conditions, Fire Saf. J. 53 (2012) 85-104.

11. Gravit, V. Gumenyuk, M. Sychov, O. Nedryshkin, Estimation of the Pores Dimensions of Intumescent Coatings for Increase the Fire Resistance of Building Structures, Procedia Eng. 117 (2015) 119-125.

12. Улыбин А. В., Ватин Н. И. “Качество визуального обследования зданий и сооружений и методика его выполнения” Журнал строительство уникальных зданий и сооружений №10 (25),2014

13. W. Schafer, Cold-formed steel structures around the world: A review of recent advances in applications, analysis and design, Steel Constr. 4(3) (2011) 141-149.

14. ROGER G. MORSE «»FIREPROOFING» AT THE WTC TOWERS» Fire Engineering 10/01/2002

15. В.М. Ройтман «Нормирование защиты высотных зданий от прогрессирующего разрушения при комбинированных особых воздейтвиях». Пожаровзрывобезопасность 2007 том 16 №2

16. Ройтман В.М. Стойкость высотных зданий против прогрессирующего разрушения - базовый блок системы противопожарной защиты этих объектов //4-я Международная научно-практическая конференция «Современные системы и средства комплексной безопасности и противопожарной защиты объектов строительства» (Стройбезопасность-2006 с.37-39)

17. Ройтман В.М. Инженерные аспектысобытий 11 сентября 2001 г. В Нью-Йорке при атаке террористами башен ВТЦ// Глобальная безопасность - Сентябрь 2006г. с. 30-35

18. Vatin, A. Sinelnikov, M. Garifullin, D. Trubina, Simulation of Cold-Formed Steel Beams in Global and Distortional Buckling, Appl. Mech. Mater. 633-634 (2014) 1037-1041.

19. Акулов А.Ю., Аксенов А.В. «Огнезащита строительных конструкций. Современные средства и методы оптимального проектирования» Журнал «Проблемы эксплуатации систем транспорта» г.Тюмень, 2009, стр.13-20.

20. G Craighead «High-Rise Security and Fire Life Safety, 3rd Edition» Release Date: 07 May 2009Imprint:Butterworth-Heinemann.

21. Jane Lataille, Fire Protection Engineering in Building Design, 1st Edition // Release Date: 26 Sep 2002

22. Lida Huanga , Tao Chen , Hongyong Yuan; “Simulation study of evacuation in high-rise buildings” // The Conference in Pedestrian and Evacuation Dynamics 2014 Transportation Research Procedia 2 ( 2014 ) 518 - 523

23. Федеральный закон 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений». 2009

24. В.А. Маковей. «Применение огнезащиты материалов, изделий и конструкций и современной тенденции её совершенствования» Журнал «Чрезвычайные ситуации: промышленная и экологическая безопасность.» Выпуск №12, 2015г., стр.28-36.

25. Jian Jianga , Lingzhu Chenb , Shouchao Jiangc , Guo-Qiang Lic , Asif Usmanid; “Fire safety assessment of super tall buildings: A case study on Shanghai Tower” Case Studies in Fire Safety 4 (2015) p.28-38

26. Н.Г.Шишацкая «Огнезащитные система ОАО «Тизол» -- надёжность и безопасность» УДК 614.842, 2010г.

27. Arshad Ahmad, Siti Ayesah Hassan, Adnan Ripin, Mohamad W. Ali, Saharudin Haron A risk-based method for determining passive fire protection adequacy (2013) Fire Safety Journal Volume 58, pp. 160-169.

28. International Building Code, 2009 (Sixth Printing), Section 403 “High-rise Building

29. Орловский С.Я., Ершова Л.В., Герасименко В.Н. «Инновационная наука». 2015. № 12-2. Стр. 50-52.

30. А.В. Фролов , А.В. Черкашин , Л.И. Акимов , Т.С. Кольцова , Н.И. Ватин , А.Г. Насибулин , О.В. Толочко , Л.И. Чумадова; Ускорение процесса формирования структуры цементного камня с помощью углеродных наномодифицированных. Строительство уникальных зданий и сооружений. ISSN 2304-6295. 7 (34). 2015. 32-40

31. Хежев Х.А., Хежев Т.А., Кимов У.З., Думанов К.Х.Инженерный вестник Дона. 2011. Т. 18.№ С. 552-559. ОГНЕЗАЩИТНЫЕ И ЖАРОСТОЙКИЕ КОМПОЗИТЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВУЛКАНИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПОРОД

32. КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ВСПУЧЕННОГО ВЕРМИКУЛИТА ДЛЯ ОГНЕЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ Енджиевская И.Г., Василовская Н.Г., Гофман О.В., Игнатьев Г.В. Фундаментальные исследования. 2016. № 2-1. С. 48-53.

33. Стандарт ГОСТ 30247.0-94 Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования. -- Введ. 01.01.1996 г. -- М.: ИПК Изд. стандартов, 1996; 2003. -- 8 с.

Аннотация

В статье описываются аспекты огнезащиты высотных зданий. В частности, защита несущих конструкций огнеупорными составами, а также характеристика этих составов и их нормирование. Приводится сравнительный анализ различных видов огнеупорной штукатурки по таким показателям как химический состав, предел огнестойкости, долговечность, плотность, толщина слоя. Прогнозируются перспективы развития огнезащитных штукатурных составов в Российской Федерации.

Ключевые слова: пожарная безопасность, высотные здания, уникальные здания, несущие конструкции, огнестойкость, огнезащитная штукатурка, средства противопожарной защиты, огнезащитные покрытия, вермикулит.

Размещено на Allbest.ru