CC BY
130
D01:10.12845/bitp.35.3.2014.11
БОРИС А.П. / BORIS A.P.1
канд. техн. наук ПОЛОВКО А.П. / POLOVKO A.P., Ph.D.1 канд. техн. наук ВЕСЕЛИВСКИЙ Р.Б. / VESELIVSKII R.B., Ph.D.1
Przyj^ty/Accepted/Принята: 14.02.2014; Zrecenzowany/Reviewed/Рецензирована: 15.07.2014; Opublikowany/Published/Опубликована: 30.09.2014;
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОГНЕЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
КОНСТРУКЦИЙ2
An Experimental Study of Fire Retardant Coverings for Metal Structures
Badanie eksperymentalne powlok ogniochronnych konstrukcji metalowych
Аннотация
Цель: Проведен анализ современных технологий повышения функциональных свойств строительных конструкций, в том числе термомеханических. Обосновано эффективный метод повышения огнестойкости металлических конструкций путем применения огнезащитных покрытий и облицовок, выполняющих функцию теплоизоляционных экранов, которые защищают поверхность конструкции от теплового воздействия во время пожара и увеличивают время достижения предельного состояния по огнестойкости. Целью работы, является экспериментальное исследование пассивных огнезащитых покрытий для металлических конструкций.
Методы: Представлена пассивная огнезащита металлических конструкций, т.е. огнезащитное покрытие, которое при воздействии высоких температур не меняет свои физические параметры и обеспечивает огнезащиту благодаря физическим или тепловым свойствам. Проанализировав существующие методы определения огнезащитной способности, проведена идентификация огнезащитной способности эксперементальных образцов известной методикой. Предложена схема размещения термопар на опытных образцах. Оптимизировано размещение термопар на экспериментальных образцах и в печи с целью контроля температуры. Преимуществом данной методики испытания является то, что по ее результатам можно сделать вывод об огнезащитной способности огнезащитных покрытий в зависимости от их толщины защитного слоя без дополнительных математических расчетов.
Для экспериментальных исследований было изготовлено два типа образцов из конструкционно-теплоизоляционного газобетона марки D 400 и D 500, а также высокотемпературного вяжущего материала (клей). Результаты экспериментальных исследований показали, что критическая температура нагрева металлических пластин для экспериментальных образцов достигнута. Соответственно время огнезащитной способности газобетонных плиток толщиной 40 мм марки D 400 и D 500 составляет не менее 120 и 110 мин соответственно.
Результаты: По результатам, полученным в ходе проведения экспериментальных исследований пассивного огнезащитного покрытия, в соответствии с методикой ДСТУ-Н-П Б В.1.1-29:2010 «Огнезащитная обработка строительных конструкций. Общие требования и методы контролирования», экспериментально установлено время достижения критической температуры на необогреваемой поверхности металлической пластины с огнезащитой из газобетонных плиток толщиной 40 мм при ее испытании в условиях стандартного температурного режима пожара. Обоснованы области применения металлических конструкций в зданиях и сооружениях.
Ключевые слова: пассивное огнезащитное покрытие, степень огнестойкости, металлическая конструкция, огнезащитная способность, термопара, газобетон Вид статьи: с практики для практики
1 Львовский государственный университет безопасности жизнедеятельности, Украина, 79000, Львов, ул. Клепаровская, 35; e-mail: [email protected] / Lviv State University of Life Safety
2 Процентное участие / Percentage contribution: Boris A.P - 50%, Polovko A.P. - 25%, Veselivskii R.B. - 25%
DÜI:10.12845/bitp.35.3.2014.11
Abstract
Aim: The authors carried out an analysis of modern technologies with the aim of improving the functional effectiveness of building structures including thermo-mechanical properties. They verified an effective method of increasing fire resistance of metal structures by the use of fire-retardant coverings and sidings which act as thermal insulation screens. These protect the surface of structures from heat exposure during a fire incident and increase the time during which the structure maintains its fire resistance. The purpose of this work is to perform an experimental study of inert fire protection coverings for metallic structures.
Methods: The authors described inert protective coverings for metal structures known as fire-retardant coating which, do not change their physical properties under the influence of high temperatures. Because of physical and thermal characteristics such coverings provide protection against fires. After an analysis of established methods used for determining fire resistance capability, the authors utilised one such method to test a sample covering. Thermo-couples were positioned on experimental structures and in the furnace so that temperature control could be maintained. Subsequently a different thickness of covering was applied to the sample and results observed. The benefit of such an approach rests with the way results can be obtained and conclusions drawn, without additional mathematical calculations. For the benefit of this study two samples were prepared, made up from heat-insulating construction aerated concrete D 800 and D 500, and a high-temperature binder (adhesive). Research results revealed that the temperature limits for heated metal plates were achieved. Corresponding protection time for aerated concrete plates D 400 and D 500, at thickness level of 40 mm, was maintained for at least 120 and 110 minutes respectively.
Results: According to results obtained during research of inert fire-retardant coverings, performed in accordance with procedures ^CTy-H-n E B.1.1-29:2010 "Fire retardant treatment of building constructions. General requirements and methods of control", it was possible to determine the timescale required to achieve critical temperature levels on the surface of an unheated metal plate, covered by fire retardant aerated concrete tiles at a thickness of 40 mm, in standard temperature fire conditions. The application of this covering to metal structures in building construction was justified.
Keywords: inert fire-retardant covering, fire resistance degree, metal structure, fire-retardant ability, thermo-couple, aerated concrete Type of article: best practice in action
Abstrakt
Cel: Przeprowadzono analiza nowoczesnych technologii majqcych na celu zwi^kszenie skutecznosci wlasciwosci funkcjonalnych konstrukcji budowlanych, w tym termomechanicznych. Uzasadniono zastosowanie efektywnej metody zwi^kszenia odpornosci na ogieñ konstrukcji metalowych poprzez zastosowanie powlok i okladzin ognioodpornych, pelniqcych funkj ekranów termoizolacyjnych, które chroniq powierzchni^ konstrukcji przed oddzialywaniem ciepla w czasie pozaru oraz wydluzajq czas osiqgni^cia granicznych wartosci odpornosci ogniowej. Celem pracy jest przeprowadzanie badania eksperymentalnego pasywnych powlok ogniochronnych konstrukcji metalowych.
Metody: Opisano pasywne zabezpieczenie ogniochronne konstrukcji metalowych, tj. powlok^ ogniochronnq, która pod wplywem wysokich temperatur nie zmienia swoich parametrów fizycznych, a takze dzi^ki swoim wlasciwosciom fizycznym i cieplnym zapewnia ochron^ przeciwpozarowq. Po przeanalizowaniu funkcjonujqcych metod okreslania zdolnosci ogniochronnej przeprowadzono za pomocq znanej metodologii identyfikaj wlasciwosci przeciwpozarowych próbek. Zaproponowano schemat rozmieszczenia termopar na próbkach eksperymentalnych. Zoptymalizowano rozmieszczenie termopar na próbkach eksperymentalnych oraz w piecu celem kontroli temperatury. Przewagq danej metodologii badania jest to, iz na podstawie jej wyników mozna wyciqgnqc wnioski o wlasciwosciach przeciwpozarowych powlok ogniochronnych w zaleznosci od grubosci ich warstwy ochronnej bez dodatkowych obliczeñ matematycznych.
Na potrzeby badañ eksperymentalnych przygotowano dwa rodzaje próbek z konstrukcyjno-termoizolacyjnego gazobetonu marki D 400 i D 500 oraz wysokotemperaturowego materialu wiqzqcego (kleju). Wyniki badañ eksperymentalnych pokazaly, ze krytyczna temperatura grzania metalowych tafli próbek eksperymentalnych zostala osiqgni^ta. Odpowiednio czas zdolnosci ognioochronnej bloczków gazobetonowych o grubosci 40 mm, marek D 400 i D 500 wynosi nie mniej niz odpowiednio 120 i 110 min. Wyniki: Na podstawie wyników, otrzymanych w rezultacie badañ eksperymentalnych pasywnej powloki ogniochronnej, przeprowadzonych zgodnie z metodykq ^CTy-H-n E B.1.1-29:2010 „Ogniochronna obróbka konstrukcji budowlanych. Wymagania ogólne i metody kontroli", okreslono czas osiqgni^cia krytycznej temperatury na powierzchni nieogrzewanej metalowej tafli pokrytej zabezpieczeniem ogniochronnym z gazobetonowych bloczków o grubosci 40 mm podczas badañ w warunkach standardowej temperatury przy pozarze. Uzasadniono obszar zastosowania konstrukcji metalowych w budynkach i budowlach.
SJowa kluczowe: pasywne pokrycie ogniochronne, poziom odpornosci ogniowej, konstrukcja metalowa, zdolnosc ogniochronna,
termopara, gazobeton
Typ artykuJu: z praktyki dla praktyki
1. Введение
Развитие современных технологий требует повышения функциональных свойств строительных конструкций, в том числе термомеханических. Для строительных конструкций, которые используются при строительстве зданий и сооружений различного назначения, одним из основных требований является нормированный предел огнестойкости.
Металлические конструкции широко используются в современном строительстве. Высокая несущая
способность при сравнительно небольшой массе, надежность работы при различных видах напряженного состояния и агрессивных эксплуатационных условиях, практичность и универсальность - основные качества, которые выгодно отличают металлические конструкции от бетонных, деревянных. Наряду с этими преимуществами, стальные конструкции имеют и недостатки, в частности низкую огнестойкость REI 15. При нагревании свыше 500°С они теряют несущую способность [1-7].
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ
Одним из наиболее эффективных методов повышения огнестойкости металлических конструкций является применение огнезащитных покрытий и облицовок, которые выполняют функцию теплоизоляционных экранов, защищающих поверхность конструкции от теплового воздействия во время пожара и увеличивающих время достижения предельного состояния с огнестойкости по признаку потери несущей способности [2].
Основное задание огнезащиты металлических конструкций состоит в изоляции поверхности материала от прямого теплового воздействия пожара.
В работе рассматривается пассивная защита, то-есть огнезащитное покрытие, которое при воздействии высоких температур не меняет своей физической формы и обеспечивает огнезащиту благодаря физическим или тепловым способностям.
Внедрение на рынок новых пассивных огнезащитных покрытий в Украине является очень сложным и дорогим процессом. Основным барьером для быстрого внедрения дешевых и качественных огнезащитных покрытий является определение огнезащитной способности в соответствии с действующими нормативными документами.
Соответственно без определения огнестойкости металлических конструкций проектирование объектов строительства имеет более абстрактный характер, впрочем, как и уровень пожарной безопасности объекта в целом. Кроме того, применение того или иного способа огнезащиты связано со значительными экономическими затратами и в отдельных случаях достигает 20% от полной стоимости строительства в целом.
2. Методы
С 2007 года в Украине методы оценки огнезащитной способности огнезащитных покрытий металлических несущих конструкций изложены в ДСТУ Б.В.1.1 -17 : 2007 [2], согласно с которыми зависимость определяется экспериментальным путем нагрева образцов в огневой печи в условиях, определенных в [3], с последующей обработкой данных испытаний различными методами математического анализа. Указанный нормативный документ соответствует европейскому стандарту [4]. В стандарте [1] дополнительно к математическим методам, определенным в европейском стандарте [4], приведены методы обработки экспериментальных данных путем решения прямых и обратных задач теплопроводности.
В результате расчетов методами математического анализа с учетом исходных данных полученных при испытании, получают зависимости в виде таблиц и графиков для нормированного ряда значений класса огнестойкости: R15; R30; R60; R90; R120; R180; R240, т.е. определяют полную сферу применения огнезащитных покрытий для металлических несущих строительных конструкций (балок, колонн), которые подвергаются воздействию высоких температур из трех или четырех сторон.
DOI:10.12845/bitp.35.3.2014.11
Согласно [1], для определения огнезащитной способности пассивных огнезащитных покрытий необходимо провести объемные, в количественном отношении, огневые испытания часть которых направлена на определение огнезащитной способности, а часть - на оценку способности покрытия к слипанию (сцепление).
ДСТУ- Н -П Б В.1.1 - 29: 2010 [5] предусматривает общие требования и методы контроля огнезащитной способности при приемке выполненных работ по огнезащитной обработке конструкций, идентификации и последующей эксплуатации.
Суть метода заключается в определении времени от начала теплового воздействия на опытный образец до наступления предельного состояния для этого образца.
Использование теплоизоляционного газобетона марки D 400, D 500 вполне возможно, поскольку этот материал имеет много преимуществ по теплофизиче-ским свойствам в сравнении с другими огнезащитными материалами и покрытиями. Для монтажа огнезащитного покрытия на металлическую конструкцию использовался высокотемпературный вяжущий материал (клей).
Для проведения экспериментальных испытаний было изготовлено два типа опытных образцов соответствующего размера и материала, основные параметры и характеристики, которых представлены в табл. 1.
Таблица 1.
Основные параметры и характеристики опытных образцов
Table 1.
Main parameters and characteristics of the experimental
samples
№ п/п No. Марка образца Brand of a sample Количество Образца Number of samples Материал Material Габаритные размеры, мм Size (mm)
1. Г-1 (G-1) 2 Газобетон марки D400 Gas concrete D400 500х500х40
2. Г-2 (G-2) 2 Газобетон марки D500 Gas concrete D500 500х500х40
3. К (K) К-1 (K-1) клей марки ТИ-1К-А (glue ТИ-1К-А) 250х250х1
К-2 (K-2) клей марки ТИ-1К-А (glue ТИ-1К-А) 250х250х2
На рис. 1 представлены схемы размещения термопар на опытных образцах.
D01:10.12845/bitp.35.3.2014.11
Рис. 1. Схемы размещения термопар в газобетоне, образец: Г-1 Г-2
№ 11, 12, 13, 14, 20 - термопары в металле № 1, 3, 11, 13, 20 - термопары в металле
№ 21 - термопара в клею № 22 - термопара в клею
№ 22- термопара в газоблоке на глубине 20мм № 21- термопара в газоблоке на глубине 20мм
Fig. 1. Position of thermocouples in aerated concrete, sample: Г-1 Г-2
№ 11, 12, 13, 14, 20- thermocouples in metal № 21- thermocouples in glue № 22- thermocouples in glue aerated concrete block in 20 mm depth
№ 1, 3, 11, 13, 20- thermocouples in metal № 22- thermocouples in glue № 21- thermocouples in glue aerated concrete block in 20 mm depth
На рис. 2 представлена схема размещения термопар в клее.
1 мм___2 ни_
♦ « е ,
* 17 . 20
. 22
из л
■ *
Рис. 2. Схемы размещения термопар в клее № 2, 17, 20, 22- термопары в металле; № 11, 13 - термопара в клею толщиной 1 мм; № 6, 21 - термопара в клею толщиной 2 мм.
Fig. 2. Position of thermocouples in glue: № 2, 17, 20, 22- thermocouples in metal; № 11, 13 -thermocouples in glue in 1 mm depth; № 6, 21 - thermocouples in glue in 1 mm depth
3. Результаты
Требования, предъявляемые к защитным покрытиям, как и условия их эксплуатации, могут быть самыми разнообразными. Поэтому выбор защитного покрытия для каждого случая должен проводиться отдельно, в зависимости от характера агрессивной среды и природы покрываемого материала.
Экспериментальные испытания по определению огнезащитной способности проводились в соответствии с требованиями [5].
Значение контролируемой критической температуры (Ткр) нагрева металлической пластины при проведении экспериментальных исследований составляло:
Ткр = То + 480 = 18 + 480 = 498 °С, где То = 18 °С - начальная температура.
На рис. 3, 4, 5 представлены усредненные результаты экспериментальных исследований огнезащитной способности газобетонных плиток и висотемпе-ратурного клея.
Проанализировав результаты экспериментальных исследований, можно утверждать, что критическая температура нагрева металлической пластины для образцов марки Г-1 достигнута на 124 мин (термопара Т12). Соответственно время огнезащитной способности газобетонных плиток марки D400 толщиной 40 мм составляет не менее 120 мин. Предельное состояние для газобетона на глубине 20мм (термопара Т22) достигуто на 98 мин эксперимента.
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ
DQI:10.12845/bitp.35.3.2014.11
Рис. 3. Сопоставление усредненных результатов для образцов марки Г-1 Ткр - критическая температура предельного состояния для металлической конструкции; TF - температура в печи; Ts - стандартная температурная кривая; Т . - минимальное значение Ts; Tmax -
г ' min '
максимальное значение Ts; Т11- Т14, Т20-Т22 - термопары на образцах; Тср - среднее значение для Т11-Т14, Т20 Fig. 3. Comparison of average results for samples Г-1 Ткр- critical temperature of limit state for a metal plate; TF- temperature of oven; Ts- standard temperetare curve; Tmin- minimal value Ts; Tmax- maximal value Ts; T11- T14, Т20-Т22- thermocouples in samples; Тср- average value for T11-T14, T20
Рис. 4. Сопоставление усредненных результатов для образцов марки Г-2 Ткр - критическая температура предельного состояния для
металлической конструкции; TF - температура печи; Ts - стандартная температурная кривая; Tmin - минимальное значение Ts; Tmax - максимальное значение Ts; Т21,Т22-термопары на образцах;
Тср- средненее значение Т21,Т22 Fig. 4. Comparison of average results for samples Г-2 Ткр- critical temperature of limit state for a metal plate;
TF- temperature of oven; Ts- standard temperetare curve; Tmin- minimal value Ts; Tmax- maximal value Ts; T21, T22-thermocouples in samples; Тср- average value of T21, T22
По результатам исследований для образца марки Г-2 критическая температура нагрева металлической пластины была достигнута на 110 мин, соответственно время огнезащитной способности газобетонных плиток толщиной 40 мм марки D500, составляет не менее 110 мин.
Рис. 5. Сопоставление усредненных результатов для образцов клея
Ткр - критическая температура металической конструкции, при которой наступает предельное состояние по огнестойкости; TF- температура печи; Ts- стандартная температурная кривая; Tmln- минимальное значение Ts; Tmax- максимальное значение Ts; Т2,Т17, Т20,Т22-термопары на необогреваемой поверхности металлической пластины; Т11, Т13- термопара в клею толщиной 1мм; Т6, Т21- термопара в клею толщиной 2 мм Fig. 5. Comparison of average results for samples of glue
Ткр- critical temperature for a metal plate; TF- furnace temperature; Ts- standard temperetare curve; Tmin- minimal value Ts; Tmax- maximal value Ts; T2, T17, T20, T22- thermocouples in unheated side; T11, T13- thermocouples in glue 1 mm depth; T6, T21-thermocouples in glue 2 mm depth
Учитывая незначительное время огнезащитной способности высокотемпературного клея, которое составило для образца толщиной 1мм около 17 мин, толщиной 2мм около 20 мин, можна сделать вывод, что его применение в качестве огнезащитного покрытия - нецелесообразно.
4. Выводы
Проанализированы существующие методы определения огнезащитной способности, проведена идентификация огнезащитной способности эксперемен-тальных образцов.
Экспериментально установлено время достижения критической температуры на необогреваемой поверхности металлической пластины с огнезащитой из газобетонных плиток толщиной 40 мм при ее испытании в условиях стандартного температурного режима пожара. Обоснованы области применения [7] металлических конструкций в зданиях и сооружениях с огнезащитным слоем из газобетонных плиток соответственно:
• марки Г-1 толщиной 40 мм не менее 120 мин - II-V степень огнестойкости;
• марки Г-2 толщиной 40 мм не менее 110 мин - III--V степень огнестойкости.
Список литературы
1. DSTU-N B EN 1993-1-2:2010 EVROKOD 3. Proektuvan-nia stalevikh konstruktcii „Chastina 1-2. Osnovni polozhen-nia. Rozrakhunok konstruktcii na vognestiikist".
2. DSTU B V.1.1-17:2007. Vognezakhisni pokrittia dlia budivelnykh nesuchikh metalevikh konstruktcii. Metod viznachennia vognezakhisnoi zdatnosti (ENV 133814:2002, NEQ).
3. Zakhist vid pozhezhi. Budivelni konstruktciii. Metody vyprobuvanniia na vognestiikist. Zahalni vymohy (ISO 834:1975) : DSTU B V. 1.1-4-98 [Chinnii vid 1998-10-28], K.: Ukrarkhbudinform, 1999, s. 21.
4. EN 1993-1-2 (2005) Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-2: General rules - Structural fire design [Authority: The European Union Per Regulation 305/2011, Directive 98/34/EC, Directive 2004/18/EC].
5. Zakhist vid pozhezhi. Vognezakhysne obrobliannia budivelnykh konstruktcii. Zakhalni vymohy ta metody kontrolyuvanniia : DSTU-N-P B V.1.1-29:2010. - [Chinnii vid 2011-11-01], K.: Minrehionbud Ukrainy, 2011, s. 9.
6. GOST R 53295-2009. Sredstva ognezashchity dlia stalnykh konstruktcii. Metody opredeleniia ognezashchitnoi effektiv-nosti. Obshchie trebovaniia.
7. Zakhist vid pozhezhi. Pozhezhna bezpeka obektiv budivnitstva : DBN V. 1.1-7-2002. - [Chinnii vid 2003-0501], Derzhpozhbezpeka, 2003, s. 87.
В01:10.12845Мр.35.3.2014.11
Борис Александр Павлович - адъюнкт, Львовский государственный университет безопасности жизнедеятельности.
Половко Андрей Петрович - главный научный сотрудник, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Львовский государственный университет безопасности жизнедеятельности.
Веселивский Роман Богданович - доцент кафедры гражданской защиты и компьютерного моделирования экогеофизических процессов, кандидат технических наук, Львовский государственный университет безопасности жизнедеятельности.
