Πώς να πυρίμαχες κατασκευές από χάλυβα;

Οι μεταλλικές κατασκευές έχουν μια κρίσιμη αδυναμία: κακή αντοχή στη φωτιά. Για να διασφαλιστεί ότι οι μεταλλικές κατασκευές διατηρούν την αντοχή και την ακαμψία τους για παρατεταμένες περιόδους κατά τη διάρκεια πυρκαγιών, προστατεύοντας ζωές και περιουσίες, συχνά εφαρμόζονται πολλαπλά μέτρα πυροπροστασίας σε πρακτικά έργα μηχανικής.

Αυτό το άρθρο θα αναφέρει λεπτομερώς διάφορα μέτρα πυροπροστασίας με βάση τις βασικές αρχές τους και θα συγκρίνει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους.

Τα μέτρα πυροπροστασίας από μεταλλικές κατασκευές χωρίζονται σε δύο κατηγορίες με βάση την αρχή: μεθόδους θερμομόνωσης και μεθόδους υδρόψυξης. Ο κοινός στόχος τους είναι να διασφαλίσουν ότι τα εξαρτήματα δεν υπερβαίνουν την κρίσιμη θερμοκρασία τους εντός ενός καθορισμένου χρονικού πλαισίου. Η διάκριση έγκειται στην προσέγγιση: οι μέθοδοι θερμομόνωσης εμποδίζουν τη μεταφορά θερμότητας στα εξαρτήματα, ενώ οι μέθοδοι υδρόψυξης επιτρέπουν τη θερμότητα να φτάσει στα εξαρτήματα και στη συνέχεια να τη διαχέει για να επιτευχθεί ο στόχος.

Η βαθμολογία πυραντίστασης μιας μεταλλικής κατασκευής αναφέρεται στη διάρκεια που αντιστέκεται στη φωτιά κατά τη διάρκεια μιας τυπικής δοκιμής πυρκαγιάς, μετρούμενη από τη στιγμή που εκτίθεται στη φωτιά μέχρι να χάσει τη σταθερότητα, την ακεραιότητα ή τη θερμομόνωση.

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι ενώ ο ίδιος ο χάλυβας δεν αναφλέγεται ούτε καίγεται, οι ιδιότητές του επηρεάζονται σημαντικά από τη θερμοκρασία. Στις 250 μοίρες, η αντοχή σε κρούση του χάλυβα μειώνεται. και πέραν των 300 μοιρών, το σημείο διαρροής και η τελική του αντοχή μειώνονται σημαντικά. Σε πραγματικές πυρκαγιές, με σταθερές συνθήκες φόρτισης, η κρίσιμη θερμοκρασία στην οποία οι μεταλλικές κατασκευές χάνουν τη σταθερότητα της στατικής ισορροπίας είναι περίπου 500 βαθμούς, ενώ οι τυπικές θερμοκρασίες πυρκαγιάς φτάνουν τους 800–1000 βαθμούς. Κατά συνέπεια, κάτω από υψηλές θερμοκρασίες πυρκαγιάς, οι μεταλλικές κατασκευές υφίστανται γρήγορα πλαστική παραμόρφωση, οδηγώντας σε τοπική αστοχία και προκαλώντας τελικά την κατάρρευση και την αστοχία ολόκληρης της κατασκευής.

Οι χαλύβδινες κατασκευές πρέπει να ενσωματώνουν μέτρα πυροπροστασίας για να διασφαλίζονται επαρκείς βαθμοί πυραντίστασης. Αυτό αποτρέπει την ταχεία θέρμανση των εξαρτημάτων από χάλυβα σε κρίσιμες θερμοκρασίες κατά τη διάρκεια πυρκαγιών, αποτρέπει την υπερβολική παραμόρφωση που οδηγεί σε δομική κατάρρευση και, ως εκ τούτου, κερδίζει πολύτιμο χρόνο για την πυρόσβεση και την ασφαλή εκκένωση, ελαχιστοποιώντας τις απώλειες που σχετίζονται με την πυρκαγιά-.

Μέθοδοι θερμικού φραγμού
Οι μέθοδοι θερμικού φραγμού, που κατηγοριοποιούνται ανά πυρίμαχες επιστρώσεις και υλικά ενθυλάκωσης, περιλαμβάνουν τεχνικές ψεκασμού και ενθυλάκωσης. Η μέθοδος ψεκασμού προστατεύει τα εξαρτήματα με επίστρωση ή ψεκασμό πυρίμαχων επιστρώσεων. Η μέθοδος ενθυλάκωσης μπορεί περαιτέρω να χωριστεί σε κοίλη ενθυλάκωση και σε στερεή ενθυλάκωση.

Μέθοδος ψεκασμού

Συνήθως, οι πυρίμαχες επιστρώσεις εφαρμόζονται ή ψεκάζονται σε χαλύβδινες επιφάνειες για να σχηματίσουν ένα{0}ανθεκτικό θερμομονωτικό στρώμα, ενισχύοντας την αντοχή στη φωτιά των χαλύβδινων κατασκευών. Αυτή η μέθοδος προσφέρει απλή κατασκευή, μικρό βάρος, εκτεταμένη διάρκεια πυραντίστασης και δεν περιορίζεται από το γεωμετρικό σχήμα των χαλύβδινων εξαρτημάτων. Προσφέρει καλή{3}}οικονομική αποτελεσματικότητα και πρακτικότητα, καθιστώντας την ευρέως εφαρμοσμένη. Οι πυρίμαχες επιστρώσεις από χαλύβδινες κατασκευές διατίθενται σε διάφορους τύπους, οι οποίοι κατηγοριοποιούνται ευρέως σε δύο κατηγορίες: επιστρώσεις λεπτής-μεμβράνης κατηγορίας Β (δηλαδή πυρίμαχες επιστρώσεις από χαλύβδινες κατασκευές) και επιστρώσεις με πάχος-μεμβράνη κατηγορίας Η.

Οι πυρίμαχες επιστρώσεις κατηγορίας Β έχουν συνήθως πάχος επίστρωσης 2-7 mm. Το βασικό υλικό τους είναι οργανική ρητίνη, παρέχοντας κάποιο διακοσμητικό αποτέλεσμα ενώ διογκώνεται και πήζει σε υψηλές θερμοκρασίες. Η βαθμολογία τους στη φωτιά μπορεί να φτάσει τις 0,5 έως 1,5 ώρες. Οι πυρίμαχες επιστρώσεις από χάλυβα λεπτής-μεμβράνης διαθέτουν λεπτή επίστρωση, μικρό βάρος και καλή αντοχή στους κραδασμούς. Για εκτεθειμένες χαλύβδινες κατασκευές εσωτερικών χώρων και ελαφριές χαλύβδινες κατασκευές οροφής όπου καθορίζεται βαθμολογία πυραντίστασης 1,5 ώρας ή λιγότερο, συνιστώνται πυρίμαχες επιστρώσεις από λεπτές{11}}δομές από χάλυβα. Οι πυρίμαχες επιστρώσεις τύπου H{19}}έχουν συνήθως πάχος επίστρωσης από 8 έως 50 mm και παρουσιάζουν κοκκώδη επιφάνεια. Αποτελούνται κυρίως από ανόργανα θερμομονωτικά υλικά, διαθέτουν χαμηλή πυκνότητα και θερμική αγωγιμότητα. Οι βαθμολογίες αντοχής στη φωτιά μπορούν να φτάσουν τις 0,5 έως 3,0 ώρες. Οι δομικές πυρίμαχες επιστρώσεις με χοντρό{20}}υμένιο είναι γενικά μη εύφλεκτες, ανθεκτικές στη γήρανση και προσφέρουν αξιόπιστη ανθεκτικότητα. Για κρυφές χαλύβδινες κατασκευές εσωτερικών χώρων, θα πρέπει να επιλέγονται-υψηλές-κατασκευές από χάλυβα και πολυώροφα βιομηχανικά εργοστάσια από χάλυβα που απαιτούν βαθμολογία πυραντίστασης 1,5 ώρας ή μεγαλύτερης, δομικές πυρίμαχες επιστρώσεις με παχύ φιλμ.

Μέθοδος ενθυλάκωσης

1) Μέθοδος κοίλης ενθυλάκωσης: Συνήθως χρησιμοποιεί πυρίμαχες σανίδες ή πυρίμαχα τούβλα για να εγκλωβίσει χαλύβδινα εξαρτήματα κατά μήκος της εξωτερικής τους περιμέτρου. Οι περισσότερες μεταλλικές κατασκευές σε οικιακά πετροχημικά εργοστάσια χρησιμοποιούν τοιχοποιία από πυρίμαχο τούβλο για την προστασία των χαλύβδινων εξαρτημάτων. Αυτή η μέθοδος προσφέρει υψηλή αντοχή και αντοχή στην κρούση, αλλά έχει μειονεκτήματα όπως σημαντικές απαιτήσεις χώρου και πολύπλοκη κατασκευή. Χρησιμοποιώντας ελαφριά πυρίμαχα πάνελ, όπως τσιμεντοσανίδες-ενισχυμένες με ίνες, γυψοσανίδες ή σανίδες βερμικουλίτη ως πυρίμαχα εξωτερικά στρώματα. Η μέθοδος περιβλήματος κουτιού-για μεγάλα εξαρτήματα χάλυβα προσφέρει πλεονεκτήματα, όπως λείες και επίπεδες επιφάνειες, χαμηλό κόστος, ελάχιστη απώλεια υλικού, μη περιβαλλοντική ρύπανση και αντοχή στη γήρανση, παρουσιάζοντας ελπιδοφόρες προοπτικές για ευρεία υιοθέτηση.

2) Μέθοδος συμπαγούς περιβλήματος: Συνήθως περιλαμβάνει το περίβλημα χαλύβδινων εξαρτημάτων με έκχυση σκυροδέματος για την πλήρη ενθυλάκωσή τους. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιήθηκε για τις χαλύβδινες κολώνες στο Παγκόσμιο Οικονομικό Κέντρο Pudong της Σαγκάης. Τα πλεονεκτήματά του περιλαμβάνουν υψηλή αντοχή και αντοχή σε κρούση, αλλά μειονεκτήματα περιλαμβάνουν τον σημαντικό χώρο που καταλαμβάνει το προστατευτικό στρώμα σκυροδέματος και τη σχετικά πολύπλοκη κατασκευή, ιδιαίτερα σε χαλύβδινες δοκούς και στηρίγματα.

Μέθοδοι Ψύξης με νερό

Οι μέθοδοι ψύξης με νερό περιλαμβάνουν ψύξη με ψεκασμό νερού και ψύξη-με νερό.

Ψύξη με ψεκασμό νερού
Η ψύξη με ψεκασμό νερού περιλαμβάνει την εγκατάσταση αυτόματων ή χειροκίνητων συστημάτων καταιονισμού πάνω από τη χαλύβδινη κατασκευή. Κατά τη διάρκεια μιας πυρκαγιάς, η ενεργοποίηση των καταιωνιστήρων σχηματίζει μια συνεχή μεμβράνη νερού στην επιφάνεια του χάλυβα. Όταν οι φλόγες φτάσουν στην επιφάνεια του χάλυβα, το νερό που εξατμίζεται απορροφά θερμότητα, καθυστερώντας την επίτευξη της οριακής θερμοκρασίας από την κατασκευή. Αυτή η μέθοδος εφαρμόστηκε στο Κτήριο Πολιτικών Μηχανικών στο Πανεπιστήμιο Tongji.

Ψύξη με νερό-

Η ψύξη{0}}γεμάτη με νερό περιλαμβάνει την πλήρωση κοίλων χαλύβδινων μελών με νερό. Το νερό που κυκλοφορεί μέσα στη χαλύβδινη κατασκευή απορροφά τη θερμότητα που παράγεται από τον ίδιο τον χάλυβα, επιτρέποντας στη δομή να διατηρεί χαμηλότερες θερμοκρασίες κατά τη διάρκεια μιας πυρκαγιάς και να αποτρέπει την απώλεια φέρουσας ικανότητας φορτίου-λόγω υπερβολικής θέρμανσης. Για την αποφυγή διάβρωσης και παγώματος, το νερό πρέπει να περιέχει αναστολείς σκουριάς και αντιψυκτικά. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιήθηκε για τις χαλύβδινες κολώνες στο 64όροφο κτίριο US Steel Building στο Πίτσμπουργκ των ΗΠΑ.

Οι μέθοδοι θερμομόνωσης χρησιμοποιούν υλικά που εμποδίζουν τη θερμότητα- για να επιβραδύνουν τη μεταφορά θερμότητας στα δομικά στοιχεία από χάλυβα. Συνολικά, η μόνωση προσφέρει καλύτερη οικονομική βιωσιμότητα και πρακτικότητα, καθιστώντας την ευρέως διαδεδομένη στις πραγματικές εφαρμογές μηχανικής. Ενώ η υδρόψυξη είναι ένα αποτελεσματικό μέτρο πυροπροστασίας, οι εξειδικευμένες δομικές απαιτήσεις σχεδιασμού και το υψηλότερο κόστος έχουν περιορίσει την ευρεία υιοθέτησή της στη μηχανική πρακτική.

Δεδομένου ότι η θερμομόνωση χρησιμοποιείται ευρέως στην πυροπροστασία από μεταλλικές κατασκευές, η ακόλουθη ενότητα εστιάζει στη σύγκριση των πλεονεκτημάτων και των μειονεκτημάτων της επίστρωσης με ψεκασμό και των μεθόδων ενθυλάκωσης στα μέτρα θερμομόνωσης.

Αντίσταση στη φωτιά

Όσον αφορά την αντοχή στη φωτιά, η μέθοδος ενθυλάκωσης υπερτερεί της μεθόδου επίστρωσης με ψεκασμό. Τα υλικά ενθυλάκωσης όπως το σκυρόδεμα και τα πυρίμαχα τούβλα παρουσιάζουν ανώτερη αντοχή στη φωτιά σε σύγκριση με τις συμβατικές πυρίμαχες επιστρώσεις. Επιπλέον, η αντοχή στη φωτιά των νέων πυρίμαχων πάνελ ξεπερνά αυτή των πυρίμαχων επιστρώσεων. Το όριο αντοχής τους στη φωτιά είναι σημαντικά υψηλότερο από αυτό των πυρίμαχων μονωτικών υλικών του ίδιου πάχους για τις μεταλλικές κατασκευές, και υπερβαίνει ακόμη και αυτό των πυρίμαχων πυρίμαχων επιστρώσεων.

Αντοχή

Τα υλικά ενθυλάκωσης όπως το σκυρόδεμα παρουσιάζουν ανώτερη ανθεκτικότητα, αντιστέκονται στην υποβάθμιση της απόδοσης με την πάροδο του χρόνου. Η ανθεκτικότητα παραμένει μια ανεπίλυτη πρόκληση για τις πυρίμαχες επιστρώσεις από χάλυβα. Οι οργανικές-λεπτές και εξαιρετικά λεπτές πυρίμαχες επιστρώσεις, είτε εφαρμόζονται σε εσωτερικούς είτε σε εξωτερικούς χώρους, ενδέχεται να υποστούν αποσύνθεση, υποβάθμιση ή γήρανση των οργανικών τους συστατικών. Αυτό οδηγεί σε ξεφλούδισμα της επίστρωσης, σκόνη ή απώλεια των ιδιοτήτων πυροπροστασίας.

Εργαστικότητα

Η εφαρμογή ψεκασμού για πυροπροστασία από χάλυβα είναι απλή και δεν απαιτεί πολύπλοκα εργαλεία. Ωστόσο, οι επιστρώσεις που εφαρμόζονται με σπρέι- προσφέρουν κακό έλεγχο ποιότητας-η αφαίρεση σκουριάς, το πάχος της επίστρωσης και η περιβαλλοντική υγρασία είναι δύσκολο να διαχειριστούν. Οι μέθοδοι ενθυλάκωσης είναι πιο περίπλοκες, ειδικά για τιράντες και δοκούς, αλλά παρέχουν ανώτερη δυνατότητα ελέγχου και σταθερή ποιότητα. Τα όρια αντίστασης στη φωτιά μπορούν να ελεγχθούν με ακρίβεια ρυθμίζοντας το πάχος του υλικού ενθυλάκωσης.

Περιβαλλοντικές Επιπτώσεις

Η εφαρμογή ψεκασμού μολύνει το περιβάλλον κατά την κατασκευή, ειδικά καθώς μπορεί να εκπέμπονται επιβλαβή αέρια κάτω από υψηλές θερμοκρασίες. Οι μέθοδοι ενθυλάκωσης δεν παράγουν τοξικές εκπομπές κατά την κατασκευή, την κανονική χρήση ή υπό συνθήκες πυρκαγιάς, ωφελώντας την προστασία του περιβάλλοντος και την ασφάλεια του προσωπικού κατά τη διάρκεια πυρκαγιών.

Οικονομολογία

Η μέθοδος ψεκασμού χαρακτηρίζεται από απλή κατασκευή, μικρή διάρκεια έργου και χαμηλό κόστος κατασκευής. Ωστόσο, οι πυρίμαχες επιστρώσεις είναι ακριβές και το κόστος συντήρησης είναι υψηλό λόγω ζητημάτων όπως η γήρανση της επίστρωσης. Η μέθοδος περιτύλιξης έχει υψηλότερο κόστος κατασκευής αλλά χρησιμοποιεί φθηνά υλικά και συνεπάγεται χαμηλά έξοδα συντήρησης. Συνολικά, η μέθοδος περιτύλιξης προσφέρει καλύτερη οικονομική απόδοση.

Εφαρμογή

Η μέθοδος ψεκασμού δεν περιορίζεται από τη γεωμετρία των εξαρτημάτων και χρησιμοποιείται ευρέως για την προστασία δοκών, υποστυλωμάτων, πλακών δαπέδου, κατασκευών στέγης και άλλων εξαρτημάτων. Είναι ιδιαίτερα κατάλληλο για πυροπροστασία σε χωρικά δομικά συστήματα όπως κατασκευές από ελαφρύ χάλυβα, κατασκευές διαστημικού πλαισίου και ακανόνιστες μεταλλικές κατασκευές. Η μέθοδος περιτύλιξης περιλαμβάνει πολύπλοκη κατασκευή, ειδικά για εξαρτήματα όπως χαλύβδινες δοκοί και τιράντες. Γενικά χρησιμοποιείται πιο συχνά για στήλες και έχει λιγότερο εκτεταμένο εύρος εφαρμογών από τη μέθοδο ψεκασμού.

Κατοχή χώρου

Οι πυρίμαχες επιστρώσεις που χρησιμοποιούνται στην εφαρμογή ψεκασμού καταλαμβάνουν ελάχιστο όγκο, ενώ τα υλικά ενθυλάκωσης όπως το σκυρόδεμα και τα πυρίμαχα τούβλα καταναλώνουν χώρο, μειώνοντας τη χρησιμοποιήσιμη επιφάνεια. Επιπλέον, τα υλικά ενθυλάκωσης είναι σημαντικά βαρύτερα.

Με βάση την παραπάνω ανάλυση, μπορούν να εξαχθούν τα ακόλουθα συμπεράσματα:

1) Η επιλογή μέτρων πυροπροστασίας για μεταλλικές κατασκευές πρέπει να λαμβάνει υπόψη πολλούς παράγοντες, όπως τον τύπο του μέλους, τη δυσκολία κατασκευής, τις απαιτήσεις ποιότητας, τις ανάγκες ανθεκτικότητας και την οικονομική απόδοση.

2) Συγκρίνοντας τις μεθόδους εφαρμογής ψεκασμού και ενθυλάκωσης, η εφαρμογή ψεκασμού προσφέρει κυρίως πλεονεκτήματα σε απλοποιημένες τεχνικές κατασκευής και ελάχιστη αλλαγή στην εμφάνιση εξαρτημάτων-μετά την εφαρμογή. Η ενθυλάκωση προσφέρει κυρίως πλεονεκτήματα σε χαμηλότερο κόστος, ανώτερη αντοχή στη φωτιά και ανθεκτικότητα.

3) Κάθε μέτρο πυροπροστασίας έχει διακριτά πλεονεκτήματα και περιορισμούς. Σε εφαρμογές μηχανικής, ο συνδυασμός πολλαπλών μέτρων μπορεί να αξιοποιήσει τα αντίστοιχα πλεονεκτήματά τους και να αντισταθμίσει τις ελλείψεις. Η εφαρμογή διαφορετικών μέτρων μπορεί να δημιουργήσει πολλαπλά επίπεδα πυροπροστασίας.