Kuinka tulenkestävät teräsrakenteet?

Teräsrakenteilla on kriittinen heikkous: huono palonkestävyys. Jotta teräsrakenteet säilyttäisivät lujuutensa ja jäykkyytensä pitkiä aikoja tulipalojen aikana, ihmishenkien ja omaisuuden turvaamiseksi, käytännön suunnitteluprojekteissa toteutetaan usein useita palosuojatoimenpiteitä.

Tässä artikkelissa esitellään erilaisia ​​palontorjuntatoimenpiteitä niiden taustalla olevien periaatteiden perusteella ja verrataan niiden etuja ja haittoja.

Teräsrakenteiden palontorjuntatoimenpiteet jakautuvat periaatteellisesti kahteen luokkaan: lämmöneristysmenetelmät ja vesijäähdytysmenetelmät. Niiden yhteinen tavoite on varmistaa, että komponentit eivät ylitä kriittistä lämpötilaansa tietyn ajan kuluessa. Ero on lähestymistavassa: lämmöneristysmenetelmät estävät lämmön siirtymisen komponentteihin, kun taas vesijäähdytysmenetelmillä lämpö pääsee komponentteihin ja sitten haihduttaa sitä tavoitteen saavuttamiseksi.

Teräsrakenteen palonkestävyysluokitus viittaa palonkeston kestoon standardin palotestin aikana, mitattuna hetkestä, jolloin se altistuu tulelle, kunnes se menettää vakauden, eheyden tai lämmöneristyksen.

On tärkeää huomata, että vaikka teräs itsessään ei syty tai pala, lämpötila vaikuttaa merkittävästi sen ominaisuuksiin. 250 asteessa teräksen iskusitkeys laskee; ja yli 300 astetta, sen myötöraja ja murtolujuus laskevat merkittävästi. Varsinaisissa tulipaloissa, vakiokuormitusolosuhteissa, kriittinen lämpötila, jossa teräsrakenteet menettävät staattisen tasapainonsa, on noin 500 astetta, kun taas tyypilliset palolämpötilat ovat 800-1000 astetta. Tämän seurauksena teräsrakenteet muuttuvat korkeissa palolämpötiloissa nopeasti plastisiksi muodonmuutoksiksi, mikä johtaa paikalliseen vaurioitumiseen ja lopulta koko rakenteen romahtamiseen ja vaurioitumiseen.

Teräsrakenteissa tulee olla palosuojaustoimenpiteitä riittävän palonkestävyyden varmistamiseksi. Tämä estää teräsosien nopean kuumenemisen kriittisiin lämpötiloihin tulipalon aikana, välttää liiallisia muodonmuutoksia, jotka johtavat rakenteiden romahtamiseen, ja saa siten arvokasta aikaa palontorjuntaan ja turvalliseen evakuointiin, minimoiden tulipaloon liittyvät häviöt.

Thermal Barrier menetelmät
Lämpösulkumenetelmät, jotka luokitellaan palonkestävien pinnoitteiden ja kapselointimateriaalien mukaan, sisältävät ruiskutus- ja kapselointitekniikat. Ruiskutusmenetelmä suojaa komponentteja pinnoittamalla tai ruiskuttamalla tulenkestäviä pinnoitteita. Kapselointimenetelmä voidaan edelleen jakaa onttoon kapselointiin ja kiinteään kapselointiin.

Ruiskutusmenetelmä

Tyypillisesti palonkestäviä pinnoitteita levitetään tai ruiskutetaan teräspinnoille palonkestävän -lämpöeristyskerroksen muodostamiseksi, mikä parantaa teräsrakenteiden palonkestävyyttä. Tämä menetelmä tarjoaa yksinkertaisen rakenteen, kevyen painon, pidemmän palonkestävyyden, eikä sitä rajoita teräsosien geometrinen muoto. Se tarjoaa hyvän kustannustehokkuuden-ja käytännöllisyyden, joten sitä käytetään laajasti. Teräsrakenteisia palonkestäviä pinnoitteita on eri tyyppejä, jotka luokitellaan laajasti kahteen luokkaan: luokan B ohut{5}kalvopinnoitteet (eli paisuvat teräsrakenteiden palonkestävät pinnoitteet) ja luokan H paksu{8}kalvopinnoitteet.

Luokan B palonkestävien pinnoitteiden pinnoitteen paksuus on tyypillisesti 2-7 mm. Niiden perusmateriaali on orgaaninen hartsi, joka tarjoaa koristeellisen vaikutuksen samalla kun se laajenee ja paksuuntuu korkeissa lämpötiloissa. Niiden palonkestävyysluokitus voi olla 0,5-1,5 tuntia. Ohut-kalvoteräsrakenteiden palonkestävät pinnoitteet ovat ohuita, keveitä ja hyvä tärinänkestävyys. Paljastuville sisäteräsrakenteille ja kevyille kattoteräsrakenteille, joiden palonkestävyysluokitus on enintään 1,5 tuntia, suositellaan ohut{11}kalvoteräsrakenteiden palonkestäviä pinnoitteita. H--tyypin palonkestävät pinnoitteet ovat tyypillisesti 8–50 mm:n paksuisia, ja niiden pinta on rakeinen. Ne koostuvat pääasiassa epäorgaanisista lämmöneristysmateriaaleista, ja niillä on alhainen tiheys ja lämmönjohtavuus. Palonkestoluokitus voi olla 0,5-3,0 tuntia. Paksu{20}}kalvorakenteiset tulenkestävät pinnoitteet ovat yleensä palamattomia, kestävät ikääntymistä ja tarjoavat luotettavan kestävyyden. Piilotetuille sisäteräsrakenteille, korkeille-korkeille-teräsrakenteille ja monikerroksisille teollisuuslaitosten teräsrakenteille, jotka vaativat vähintään 1,5 tunnin palonkestävyyden, tulee valita paksukalvorakenteiset palonkestävät pinnoitteet.

Kapselointimenetelmä

1) Ontto kapselointimenetelmä: Tyypillisesti käytetään tulenkestäviä levyjä tai tulenkestäviä tiiliä teräsosien koteloimiseksi niiden ulkokehälle. Useimmat kotimaisten petrokemian tehtaiden teräsrakenteet käyttävät tulenkestävää tiilimuurausta teräsosien suojaamiseen. Tämä menetelmä tarjoaa korkean lujuuden ja iskunkestävyyden, mutta siinä on haittoja, kuten merkittävä tilantarve ja monimutkainen rakenne. Käytä kevyitä tulenkestäviä paneeleja, kuten kuitu-vahvistettuja sementtilevyjä, kipsilevyjä tai vermikuliittilevyjä tulenkestävänä ulkokerroksena. Suurten teräskomponenttien laatikko-kotelointimenetelmä tarjoaa etuja, kuten sileät ja tasaiset viimeistellyt pinnat, alhaiset kustannukset, minimaalisen materiaalihäviön, ei saastuta ympäristöä ja ikääntymisen kestävyyttä, mikä tarjoaa lupaavia näkymiä laajalle käyttöönotolle.

2) Kiinteä kotelointimenetelmä: Tyypillisesti siihen kuuluu teräsosien kotelointi kaatamalla betonia niiden kapseloimiseksi kokonaan. Tätä menetelmää käytettiin teräspilareissa Shanghain Pudong World Financial Centerissä. Sen etuja ovat korkea lujuus ja iskunkestävyys, mutta haittoja ovat betonin suojakerroksen viemä suuri tila ja suhteellisen monimutkainen rakenne, erityisesti teräspalkeissa ja kannattimissa.

Vesijäähdytysmenetelmät

Vesijäähdytysmenetelmiä ovat vesisuihkujäähdytys ja vesi{0}}täytteinen jäähdytys.

Vesisuihkujäähdytys
Vesisuihkujäähdytykseen kuuluu automaattisten tai manuaalisten sprinklerijärjestelmien asentaminen teräsrakenteen yläpuolelle. Tulipalon aikana sprinklerien aktivointi muodostaa jatkuvan vesikalvon teräspinnalle. Kun liekit saavuttavat teräksen pinnan, haihtuva vesi imee lämpöä, mikä viivästyttää rakenteen rajalämpötilan saavuttamista. Tämä menetelmä otettiin käyttöön Tongjin yliopiston rakennustekniikan rakennuksessa.

Vesi{0}}Täyteinen jäähdytys

Vesitäytetyssä{0}}jäähdytyksessä onttot teräsosat täytetään vedellä. Teräsrakenteessa kiertävä vesi absorboi itse teräksen tuottamaa lämpöä, mikä mahdollistaa rakenteen ylläpitämisen alhaisemmissa lämpötiloissa tulipalon aikana ja estää kuormituksen -kantokyvyn menetyksen liiallisen kuumennuksen vuoksi. Korroosion ja jäätymisen estämiseksi veden tulee sisältää ruosteenestoaineita ja jäätymisenestoaineita. Tätä menetelmää käytettiin teräspilareissa 64-kerroksisessa US Steel Buildingissa Pittsburghissa, Yhdysvalloissa.

Lämmöneristysmenetelmissä käytetään lämpöä{0}}sulkuvia materiaaleja hidastamaan lämmön siirtymistä teräsrakenneosiin. Kaiken kaikkiaan eristys tarjoaa paremman taloudellisen kannattavuuden ja käytännöllisyyden, joten se on laajalti käytössä todellisissa suunnittelusovelluksissa. Vaikka vesijäähdytys on tehokas palontorjuntatoimenpide, sen erityiset rakennesuunnitteluvaatimukset ja korkeammat kustannukset ovat rajoittaneet sen laajaa käyttöä suunnittelukäytännössä.

Koska lämpöeristystä käytetään laajalti teräsrakenteiden palosuojauksessa, seuraavassa osiossa keskitytään vertailemaan ruiskupinnoitus- ja kapselointimenetelmien etuja ja haittoja lämmöneristystoimenpiteissä.

Palonkestävyys

Palonkestävyyden osalta kapselointimenetelmä on parempi kuin ruiskupinnoitusmenetelmä. Kapselointimateriaalit, kuten betoni ja tulenkestävät tiilet, osoittavat erinomaisen palonkestävyyden verrattuna tavanomaisiin tulenkestäviin pinnoitteisiin. Lisäksi uusien paloturvallisten paneelien palonkestävyys ylittää palonkestävän pinnoitteen. Niiden palonkestävyysraja on merkittävästi korkeampi kuin teräsrakenteiden samanpaksuisilla paloeristysmateriaaleilla ja ylittää jopa paisuvien palonkestäviä pinnoitteita.

Kestävyys

Kapselointimateriaalit, kuten betoni, osoittavat erinomaisen kestävyyden ja kestävät suorituskyvyn heikkenemistä ajan myötä. Kestävyys on edelleen ratkaisematon haaste teräsrakenteiden palonkestäville pinnoitteille. Orgaanisiin-pohjaisiin ohuisiin ja ultraohuisiin palonkestävään pinnoitteeseen sisä- tai ulkotiloihin voi kohdistua orgaanisten komponenttien hajoamista, hajoamista tai vanhenemista. Tämä johtaa pinnoitteen hilseilyyn, jauhettumiseen tai palonkestävyyden menettämiseen.

Työkyky

Teräksen palosuojauksen ruiskutus on yksinkertaista, eikä se vaadi monimutkaisia ​​työkaluja. Ruiskutettujen-pinnoitteiden ruosteenpoisto, pinnoitteen paksuus ja ympäristön kosteus on kuitenkin huonosti hallittavissa. Kapselointimenetelmät ovat monimutkaisempia, varsinkin kannattimille ja palkkeille, mutta tarjoavat erinomaisen hallittavuuden ja tasaisen laadun. Palonkestorajoja voidaan säätää tarkasti säätämällä kapselointimateriaalin paksuutta.

Ympäristövaikutus

Ruiskutus saastuttaa ympäristöä rakentamisen aikana, varsinkin kun korkeissa lämpötiloissa voi vapautua haitallisia kaasuja. Kapselointimenetelmät eivät tuota myrkyllisiä päästöjä rakentamisen, normaalikäytön tai palo-olosuhteissa, mikä edistää ympäristönsuojelua ja henkilöstön turvallisuutta tulipalojen aikana.

Taloustiede

Ruiskutusmenetelmällä on yksinkertainen rakenne, lyhyt projektin kesto ja alhaiset rakennuskustannukset. Palonkestävät pinnoitteet ovat kuitenkin kalliita ja ylläpitokustannukset korkeat pinnoitteen vanhenemisen kaltaisten ongelmien vuoksi. Käärimismenetelmällä on korkeammat rakennuskustannukset, mutta siinä käytetään edullisia materiaaleja ja alhaiset ylläpitokustannukset. Kaiken kaikkiaan käärintämenetelmä tarjoaa paremman taloudellisen tehokkuuden.

Sovellettavuus

Ruiskutusmenetelmää ei rajoita komponenttien geometria, ja sitä käytetään laajasti palkkien, pylväiden, lattialaattojen, kattorakenteiden ja muiden komponenttien suojaamiseen. Se soveltuu erityisen hyvin palontorjuntaan tilarakennejärjestelmissä, kuten kevyissä teräsrakenteissa, tilarunkorakenteissa ja epäsäännöllisissä teräsrakenteissa. Käärimismenetelmään kuuluu monimutkainen rakenne, erityisesti komponenttien, kuten teräspalkkien ja tukien, osalta. Sitä käytetään yleensä yleisemmin pylväissä, ja sillä on vähemmän laaja käyttöalue kuin ruiskutusmenetelmällä.

Tilan käyttöaste

Ruiskumaalauksessa käytettävät tulenkestävät pinnoitteet vievät minimaalisen tilavuuden, kun taas kapselointimateriaalit, kuten betoni ja tulenkestävät tiilet, kuluttavat tilaa ja vähentävät käyttöaluetta. Lisäksi kapselointimateriaalit ovat huomattavasti raskaampia.

Yllä olevan analyysin perusteella voidaan tehdä seuraavat johtopäätökset:

1) Teräsrakenteiden palosuojaustoimenpiteiden valinnassa on otettava huomioon useita tekijöitä, mukaan lukien osan tyyppi, rakenteen vaikeus, laatuvaatimukset, kestävyysvaatimukset ja taloudellinen tehokkuus;

2) Verrattaessa ruiskutus- ja kapselointimenetelmiä, ruiskutus tarjoaa etuja ensisijaisesti yksinkertaistetuissa rakennustekniikoissa ja minimaalisissa muutoksissa komponenttien ulkonäköön levityksen jälkeen. Kapseloinnin etuja ovat ensisijaisesti alhaisemmat kustannukset, erinomainen palonkestävyys ja kestävyys;

3) Jokaisella palontorjuntatoimenpiteellä on omat vahvuutensa ja rajoituksensa. Teknisissä sovelluksissa useiden toimenpiteiden yhdistäminen voi hyödyntää niiden etuja ja kompensoida puutteita. Erilaisten toimenpiteiden toteuttaminen voi luoda useita palosuojakerroksia.