Hvordan brannsikre stålkonstruksjoner?

Stålkonstruksjoner har en kritisk svakhet: dårlig brannmotstand. For å sikre at stålkonstruksjoner opprettholder sin styrke og stivhet i lengre perioder under brann, ivaretar liv og eiendom, implementeres ofte flere brannbeskyttelsestiltak i praktiske prosjekter.

Denne artikkelen vil detaljere ulike brannbeskyttelsestiltak basert på deres underliggende prinsipper og sammenligne deres fordeler og ulemper.

Brannverntiltak av stålkonstruksjoner faller inn i to kategorier basert på prinsippet: termiske isolasjonsmetoder og vannkjølingsmetoder. Deres felles mål er å sikre at komponentene ikke overskrider deres kritiske temperatur innen en spesifisert tidsramme. Skillet ligger i tilnærming: termiske isolasjonsmetoder forhindrer varmeoverføring til komponentene, mens vannkjølingsmetoder lar varme nå komponentene og deretter spre den for å nå målet.

Brannmotstandsvurderingen til en stålkonstruksjon refererer til varigheten den motstår brann under en standard branntest, målt fra det øyeblikket den utsettes for brann til den mister stabilitet, integritet eller termisk isolasjon.

Det er viktig å merke seg at mens stål i seg selv ikke antennes eller brenner, påvirkes egenskapene betydelig av temperaturen. Ved 250 grader reduseres slagfastheten til stål; og over 300 grader reduseres flytegrensen og den endelige styrken betydelig. I faktiske branner, med konstante belastningsforhold, er den kritiske temperaturen der stålkonstruksjoner mister statisk likevektsstabilitet rundt 500 grader, mens typiske branntemperaturer når 800–1000 grader. Følgelig, under høye branntemperaturer, gjennomgår stålkonstruksjoner raskt plastisk deformasjon, noe som fører til lokalisert feil og til slutt forårsaker at hele strukturen kollapser og svikter.

Stålkonstruksjoner må ha brannverntiltak for å sikre tilstrekkelig brannmotstand. Dette forhindrer rask oppvarming av stålkomponenter til kritiske temperaturer under branner, unngår overdreven deformasjon som fører til strukturell kollaps, og vinner dermed verdifull tid for brannslukking og sikker evakuering, og minimerer brannrelaterte tap.

Termiske barrieremetoder
Termiske barrieremetoder, kategorisert etter brannsikre belegg og innkapslingsmaterialer, inkluderer sprøyting og innkapslingsteknikker. Spraymetoden beskytter komponenter ved å belegge eller sprøyte brannsikre belegg. Innkapslingsmetoden kan videre deles inn i hul innkapsling og solid innkapsling.

Spraymetode

Vanligvis påføres eller sprayes brannsikre belegg på ståloverflater for å danne et brannbestandig- termisk isolasjonslag, som øker brannmotstandsvurderingen til stålkonstruksjoner. Denne metoden tilbyr enkel konstruksjon, lav vekt, utvidet brannmotstandsvarighet og er ikke begrenset av den geometriske formen til stålkomponenter. Den tilbyr god kostnadseffektivitet og praktisk-funksjonalitet, noe som gjør den mye brukt. Brannsikre belegg av stålstrukturer kommer i ulike typer, bredt kategorisert i to klasser: Klasse B tynne-filmbelegg (dvs. stålstrukturer svellende brannsikre belegg) og Klasse H tykk-filmbelegg.

Klasse B brannsikre belegg har vanligvis en beleggtykkelse på 2-7 mm. Basematerialet deres er organisk harpiks, som gir en dekorativ effekt mens de utvider seg og tykner ved høye temperaturer. Deres brannmotstandsvurdering kan nå 0,5 til 1,5 timer. Tynn-film stålstruktur brannsikre belegg har et tynt belegg, lav vekt og god vibrasjonsmotstand. For utsatte innendørs stålkonstruksjoner og lette takstålkonstruksjoner der en brannmotstandsvurdering på 1,5 timer eller mindre er spesifisert, anbefales brannsikre belegg med tynn-filmstålstruktur. H--type brannsikre belegg har vanligvis en beleggtykkelse på 8 til 50 mm og har en granulær overflate. De består hovedsakelig av uorganiske varmeisolasjonsmaterialer, og har lav tetthet og termisk ledningsevne. Brannmotstandsvurderinger kan nå 0,5 til 3,0 timer. Strukturelt brannsikre belegg med tykk-film er vanligvis ikke-brennbare, motstandsdyktige mot aldring og gir pålitelig holdbarhet. For skjulte innendørs stålkonstruksjoner, høy-alle-stålkonstruksjoner og fler-etasjers stålkonstruksjoner i industrianlegg som krever en brannmotstandsvurdering på 1,5 timer eller høyere, bør tykkfilms strukturelle brannsikre belegg velges.

Innkapslingsmetode

1) Hul innkapslingsmetode: Bruker vanligvis brannsikre plater eller ildfaste murstein for å omslutte stålkomponenter langs deres ytre omkrets. De fleste stålkonstruksjoner i innenlandske petrokjemiske anlegg bruker ildfast murstein for å beskytte stålkomponenter. Denne metoden gir høy styrke og slagfasthet, men har ulemper, inkludert betydelig plassbehov og kompleks konstruksjon. Bruk av lette, ildfaste paneler som fiber-forsterkede sementplater, gipsplater eller vermikulittplater som brannsikre ytre lag. Boks-innkapslingsmetoden for store stålkomponenter gir fordeler, inkludert glatte og flate overflater, lave kostnader, minimalt materialtap, ingen miljøforurensning og aldringsmotstand, og presenterer lovende utsikter for utbredt bruk.

2) Metode for solid innkapsling: Innebærer vanligvis innkapsling av stålkomponenter ved å helle betong for å kapsle dem fullstendig inn. Denne metoden ble brukt for stålsøylene i Shanghais Pudong World Financial Center. Dens fordeler inkluderer høy styrke og slagfasthet, men ulempene inkluderer den betydelige plassen som opptas av betongbeskyttende laget og relativt kompleks konstruksjon, spesielt på stålbjelker og avstivere.

Vannkjølingsmetoder

Vannkjølingsmetoder inkluderer vannspraykjøling og vannfylt-kjøling.

Vannspraykjøling
Vannspraykjøling innebærer installasjon av automatiske eller manuelle sprinklersystemer over stålkonstruksjonen. Under en brann danner aktivering av sprinklerne en kontinuerlig vannfilm på ståloverflaten. Når flammer når ståloverflaten, absorberer det fordampende vannet varme, noe som forsinker strukturens oppnåelse av grensetemperaturen. Denne metoden ble implementert i Civil Engineering Building ved Tongji University.

Vann-Fylt avkjøling

Vannfylt-kjøling innebærer å fylle hule stålelementer med vann. Sirkulerende vann i stålkonstruksjonen absorberer varme generert av selve stålet, noe som gjør at strukturen kan opprettholde lavere temperaturer under en brann og forhindre tap av -bæreevne på grunn av overdreven oppvarming. For å hindre korrosjon og frysing, må vannet inneholde rusthemmere og frostvæske. Denne metoden ble brukt for stålsøylene i den 64-etasjers US Steel Building i Pittsburgh, USA.

Termiske isolasjonsmetoder bruker varme-blokkerende materialer for å bremse overføringen av varme til stålkonstruksjonskomponenter. Totalt sett gir isolasjon bedre økonomisk levedyktighet og praktisk, noe som gjør den mye brukt i faktiske ingeniørapplikasjoner. Mens vannkjøling er et effektivt brannbeskyttelsestiltak, har dets spesialiserte strukturelle designkrav og høyere kostnader begrenset dens utbredte bruk i ingeniørpraksis.

Siden termisk isolasjon er mye brukt i brannbeskyttelse av stålkonstruksjoner, fokuserer det følgende avsnittet på å sammenligne fordeler og ulemper med sprøytebelegg og innkapslingsmetoder innen termiske isolasjonstiltak.

Brannmotstand

Når det gjelder brannmotstand, overgår innkapslingsmetoden sprøytebeleggmetoden. Innkapslingsmaterialer som betong og ildfast murstein viser overlegen brannmotstand sammenlignet med konvensjonelle brannsikre belegg. I tillegg overgår brannmotstanden til nye brannsikre paneler den til brannsikre belegg. Deres brannmotstandsgrense er betydelig høyere enn for brannsikre isolasjonsmaterialer med samme tykkelse for stålkonstruksjoner, og overskrider til og med grensen for svellende brannsikre belegg.

Varighet

Innkapslingsmaterialer som betong viser overlegen holdbarhet og motstår ytelsesforringelse over tid. Holdbarhet er fortsatt en uløst utfordring for brannsikre belegg av stålkonstruksjoner. Organiske-baserte tynne og ultra-tynne brannsikre belegg, enten påført innendørs eller utendørs, kan oppleve nedbrytning, nedbrytning eller aldring av deres organiske komponenter. Dette fører til avskalling av belegg, pulverdannelse eller tap av brannhemmende egenskaper.

Gjennomførbarhet

Spraypåføring for brannbeskyttelse av stål er enkel og krever ingen komplekse verktøy. Spray-påført belegg gir imidlertid dårlig kvalitetskontroll-fjerning av rust, beleggtykkelse og miljøfuktighet er vanskelig å håndtere. Innkapslingsmetoder er mer komplekse, spesielt for avstivere og bjelker, men gir overlegen kontrollerbarhet og jevn kvalitet. Brannmotstandsgrenser kan kontrolleres nøyaktig ved å justere innkapslingsmaterialets tykkelse.

Miljøpåvirkning

Sprøytepåføring forurenser miljøet under konstruksjon, spesielt ettersom skadelige gasser kan slippes ut under høye temperaturer. Innkapslingsmetoder gir ingen giftige utslipp under konstruksjon, normal bruk eller under brannforhold, noe som gagner miljøvern og personellsikkerhet under branner.

Økonomi

Spraymetoden har enkel konstruksjon, kort prosjekttid og lave byggekostnader. Imidlertid er brannsikre belegg dyre, og vedlikeholdskostnadene er høye på grunn av problemer som aldring av belegg. Innpakningsmetoden har høyere byggekostnader, men bruker rimelige materialer og medfører lave vedlikeholdskostnader. Samlet sett gir innpakningsmetoden bedre økonomisk effektivitet.

Anvendbarhet

Sprøytemetoden er ikke begrenset av komponentgeometri og er mye brukt for å beskytte bjelker, søyler, gulvplater, takkonstruksjoner og andre komponenter. Den er spesielt egnet for brannbeskyttelse i romlige strukturelle systemer som lette stålkonstruksjoner, romrammekonstruksjoner og uregelmessige stålkonstruksjoner. Innpakningsmetoden involverer kompleks konstruksjon, spesielt for komponenter som stålbjelker og avstivere. Det er generelt mer vanlig brukt for kolonner og har et mindre omfattende bruksområde enn spraymetoden.

Plassbelegg

Brannsikre belegg som brukes i spraypåføring opptar minimalt volum, mens innkapslingsmaterialer som betong og brannsikre murstein bruker plass, noe som reduserer bruksarealet. I tillegg er innkapslingsmaterialer betydelig tyngre.

Basert på analysen ovenfor kan følgende konklusjoner trekkes:

1) Valget av brannbeskyttelsestiltak for stålkonstruksjoner må ta hensyn til flere faktorer, inkludert medlemstype, konstruksjonsvanskeligheter, kvalitetskrav, holdbarhetsbehov og økonomisk effektivitet;

2) Ved å sammenligne spraypåføring og innkapslingsmetoder gir spraypåføring først og fremst fordeler i forenklede konstruksjonsteknikker og minimal endring av komponentens utseende etter-påføring. Innkapsling gir først og fremst fordeler i lavere kostnader, overlegen brannmotstand og holdbarhet;

3) Hvert brannverntiltak har distinkte styrker og begrensninger. I ingeniørapplikasjoner kan kombinasjon av flere tiltak utnytte deres respektive fordeler og kompensere for mangler. Implementering av ulike tiltak kan etablere flere lag med brannbeskyttelse.