Hvordan brandsikrer man stålkonstruktioner?

Stålkonstruktioner har en kritisk svaghed: dårlig brandmodstand. For at sikre, at stålkonstruktioner bibeholder deres styrke og stivhed i længere perioder under brande, for at beskytte liv og ejendom, implementeres der ofte flere brandbeskyttelsesforanstaltninger i praktiske ingeniørprojekter.

Denne artikel vil detaljere forskellige brandbeskyttelsesforanstaltninger baseret på deres underliggende principper og sammenligne deres fordele og ulemper.

Brandsikringsforanstaltninger i stålkonstruktioner falder i to kategorier baseret på princippet: termiske isoleringsmetoder og vandkølingsmetoder. Deres fælles mål er at sikre, at komponenter ikke overstiger deres kritiske temperatur inden for en specificeret tidsramme. Forskellen ligger i tilgangen: termiske isoleringsmetoder forhindrer varmeoverførsel til komponenterne, mens vandkølingsmetoder tillader varme at nå komponenterne og derefter sprede den for at nå målet.

Brandmodstandsvurderingen af ​​en stålkonstruktion refererer til den varighed, den modstår brand under en standardbrandtest, målt fra det øjeblik, den udsættes for brand, indtil den mister stabilitet, integritet eller termisk isolering.

Det er vigtigt at bemærke, at mens stål i sig selv ikke antændes eller brænder, er dets egenskaber væsentligt påvirket af temperaturen. Ved 250 grader falder stålets slagsejhed; og ud over 300 grader falder dets flydegrænse og ultimative styrke betydeligt. I faktiske brande, med konstante belastningsforhold, er den kritiske temperatur, ved hvilken stålkonstruktioner mister statisk ligevægtsstabilitet, omkring 500 grader, mens typiske brandtemperaturer når 800-1000 grader. Under høje brandtemperaturer gennemgår stålkonstruktioner derfor hurtigt plastisk deformation, hvilket fører til lokaliseret svigt og i sidste ende får hele strukturen til at kollapse og svigte.

Stålkonstruktioner skal omfatte brandbeskyttelsesforanstaltninger for at sikre tilstrækkelig brandmodstandsevne. Dette forhindrer hurtig opvarmning af stålkomponenter til kritiske temperaturer under brande, undgår overdreven deformation, der fører til strukturelt sammenbrud og vinder derved værdifuld tid til brandslukning og sikker evakuering, hvilket minimerer brandrelaterede tab.

Termiske barrieremetoder
Termiske barrieremetoder, kategoriseret efter brandsikre belægninger og indkapslingsmaterialer, omfatter sprøjte- og indkapslingsteknikker. Sprøjtemetoden beskytter komponenter ved at belægge eller sprøjte brandsikre belægninger. Indkapslingsmetoden kan yderligere opdeles i hul indkapsling og fast indkapsling.

Sprøjtemetode

Typisk påføres eller sprøjtes brandsikre belægninger på ståloverflader for at danne et brand-sikkert termisk isoleringslag, hvilket forbedrer stålkonstruktionernes brandmodstandsevne. Denne metode tilbyder enkel konstruktion, lav vægt, forlænget brandmodstandsvarighed og er ikke begrænset af den geometriske form af stålkomponenter. Det giver god-omkostningseffektivitet og praktisk anvendelighed, hvilket gør det bredt anvendt. Brandsikre belægninger til stålstrukturer findes i forskellige typer, bredt kategoriseret i to klasser: Klasse B tynde-filmbelægninger (dvs. stålstruktur opsvulmende brandsikre belægninger) og Klasse H tykke-filmbelægninger.

Klasse B brandsikre belægninger har typisk en belægningstykkelse på 2-7 mm. Deres basismateriale er organisk harpiks, der giver en dekorativ effekt, mens de udvider og fortykkes ved høje temperaturer. Deres brandmodstandsevne kan nå op på 0,5 til 1,5 timer. Tynd-film stålstruktur brandsikre belægninger har en tynd belægning, let vægt og god vibrationsmodstand. For udsatte indendørs stålkonstruktioner og letvægtstagstålkonstruktioner, hvor der er specificeret en brandmodstandsevne på 1,5 timer eller mindre, anbefales tynde-film stålkonstruktioner brandsikre belægninger. H-brandsikre belægninger har typisk en belægningstykkelse på 8 til 50 mm og udviser en granulær overflade. De består primært af uorganiske termiske isoleringsmaterialer og har lav densitet og termisk ledningsevne. Brandmodstandsværdier kan nå op på 0,5 til 3,0 timer. Tykke-filmstrukturelle brandsikre belægninger er generelt ikke-brændbare, modstandsdygtige over for ældning og tilbyder pålidelig holdbarhed. Til skjulte indendørs stålkonstruktioner, høj-alle-stålkonstruktioner og fler-industrielle anlægsstålkonstruktioner, der kræver en brandmodstandsevne på 1,5 time eller mere, bør tykfilms strukturelle brandsikre belægninger vælges.

Indkapslingsmetode

1) Hul indkapslingsmetode: Anvender typisk brandsikre plader eller ildfaste mursten til at indkapsle stålkomponenter langs deres ydre omkreds. De fleste stålkonstruktioner i indenlandske petrokemiske anlæg bruger ildfast mursten til at beskytte stålkomponenter. Denne metode giver høj styrke og slagfasthed, men har ulemper, herunder betydelige pladsbehov og kompleks konstruktion. Brug af lette ildfaste paneler såsom fiber-forstærkede cementplader, gipsplader eller vermiculitplader som brandsikre yderlag. Boks-indkapslingsmetoden til store stålkomponenter byder på fordele, herunder glatte og flade overflader, lave omkostninger, minimalt materialetab, ingen miljøforurening og ældningsbestandighed, hvilket giver lovende udsigter til udbredt anvendelse.

2) Metode med fast indkapsling: Indebærer typisk indkapsling af stålkomponenter ved at hælde beton for at indkapsle dem fuldstændigt. Denne metode blev brugt til stålsøjlerne i Shanghais Pudong World Financial Center. Dens fordele omfatter høj styrke og slagfasthed, men ulemperne omfatter den betydelige plads, der optages af betonbeskyttelseslaget og relativt kompleks konstruktion, især på stålbjælker og afstivere.

Vandkølingsmetoder

Vandkølingsmetoder omfatter vandspraykøling og vand{0}fyldt afkøling.

Vandspray afkøling
Vandspraykøling involverer installation af automatiske eller manuelle sprinklersystemer over stålkonstruktionen. Under en brand danner aktivering af sprinklerne en kontinuerlig vandfilm på ståloverfladen. Når flammer når ståloverfladen, absorberer det fordampende vand varme, hvilket forsinker strukturens opnåelse af sin grænsetemperatur. Denne metode blev implementeret i Civil Engineering Building ved Tongji University.

Vand-Fyldt afkøling

Vand-fyldt afkøling involverer fyldning af hule stålelementer med vand. Cirkulerende vand i stålkonstruktionen absorberer varme genereret af stålet selv, hvilket gør det muligt for strukturen at opretholde lavere temperaturer under en brand og forhindre tab af belastnings-bæreevne på grund af overdreven opvarmning. For at forhindre korrosion og frysning skal vandet indeholde rusthæmmere og frostvæske. Denne metode blev anvendt til stålsøjlerne i den 64-etagers US Steel Building i Pittsburgh, USA.

Termiske isoleringsmetoder bruger varme-blokerende materialer til at bremse overførslen af ​​varme til stålkonstruktionskomponenter. Samlet set giver isolering bedre økonomisk levedygtighed og praktisk anvendelighed, hvilket gør den almindeligt anvendt i faktiske tekniske applikationer. Mens vandkøling er en effektiv brandbeskyttelsesforanstaltning, har dens specialiserede strukturelle designkrav og højere omkostninger begrænset dens udbredte anvendelse i ingeniørpraksis.

Da termisk isolering er meget udbredt i brandsikring af stålkonstruktioner, fokuserer det følgende afsnit på at sammenligne fordele og ulemper ved sprøjtebelægning og indkapslingsmetoder inden for termiske isoleringsforanstaltninger.

Brandmodstand

Med hensyn til brandmodstand overgår indkapslingsmetoden sprøjtebelægningsmetoden. Indkapslingsmaterialer såsom beton og ildfaste mursten udviser overlegen brandmodstand sammenlignet med konventionelle brandsikre belægninger. Derudover overgår brandmodstandsdygtigheden af ​​nye brandsikre paneler brandsikre belægninger. Deres brandmodstandsgrænse er betydeligt højere end for brandsikre isoleringsmaterialer af samme tykkelse til stålkonstruktioner og overstiger endda grænsen for brandsikre belægninger.

Holdbarhed

Indkapslingsmaterialer som beton udviser overlegen holdbarhed og modstår ydeevneforringelse over tid. Holdbarhed er fortsat en uløst udfordring for brandsikre belægninger af stålstrukturer. Organiske-baserede tynde og ultra-tynde brandsikre belægninger, uanset om de påføres indendørs eller udendørs, kan opleve nedbrydning, nedbrydning eller ældning af deres organiske komponenter. Dette fører til afskalning af belægningen, pulverisering eller tab af brandsikrende egenskaber.

Bearbejdelighed

Sprøjtepåføring til stålbrandbeskyttelse er ligetil og kræver ingen komplekse værktøjer. Spray-påførte belægninger tilbyder imidlertid dårlig kvalitetskontrol-. Rustfjernelse, belægningstykkelse og miljøfugtighed er svære at håndtere. Indkapslingsmetoder er mere komplekse, især for seler og bjælker, men giver overlegen kontrollerbarhed og ensartet kvalitet. Brandmodstandsgrænser kan kontrolleres præcist ved at justere indkapslingsmaterialets tykkelse.

Miljøpåvirkning

Sprøjtepåføring forurener miljøet under byggeriet, især da der kan udsendes skadelige gasser ved høje temperaturer. Indkapslingsmetoder producerer ingen giftige emissioner under konstruktion, normal brug eller under brandforhold, hvilket gavner miljøbeskyttelse og personalesikkerhed under brande.

Økonomi

Sprøjtemetoden har enkel konstruktion, kort projektvarighed og lave byggeomkostninger. Brandsikre belægninger er dog dyre, og vedligeholdelsesomkostningerne er høje på grund af problemer som belægningens aldring. Indpakningsmetoden har højere byggeomkostninger, men bruger billige materialer og medfører lave vedligeholdelsesudgifter. Samlet set giver indpakningsmetoden bedre økonomisk effektivitet.

Anvendelighed

Sprøjtemetoden er ikke begrænset af komponentgeometri og bruges i vid udstrækning til beskyttelse af bjælker, søjler, gulvplader, tagkonstruktioner og andre komponenter. Det er særligt velegnet til brandbeskyttelse i rumlige strukturelle systemer såsom lette stålkonstruktioner, rumrammekonstruktioner og uregelmæssige stålkonstruktioner. Indpakningsmetoden involverer kompleks konstruktion, især for komponenter som stålbjælker og afstivere. Det er generelt mere almindeligt anvendt til søjler og har et mindre omfattende anvendelsesområde end sprøjtemetoden.

Pladsbelægning

Brandsikre belægninger, der bruges til sprøjtepåføring, optager minimalt volumen, hvorimod indkapslingsmaterialer som beton og brandsikre mursten optager plads, hvilket reducerer brugbart areal. Derudover er indkapslingsmaterialer betydeligt tungere.

På baggrund af ovenstående analyse kan følgende konklusioner drages:

1) Udvælgelsen af ​​brandsikringsforanstaltninger til stålkonstruktioner skal tage højde for flere faktorer, herunder elementtype, konstruktionsvanskeligheder, kvalitetskrav, holdbarhedsbehov og økonomisk effektivitet;

2) Ved sammenligning af sprøjtepåføring og indkapslingsmetoder giver sprøjtepåføring primært fordele i forenklede konstruktionsteknikker og minimal ændring af komponentens udseende efter-påføring. Indkapsling giver primært fordele i lavere omkostninger, overlegen brandmodstand og holdbarhed;

3) Hver brandbeskyttelsesforanstaltning har forskellige styrker og begrænsninger. I tekniske applikationer kan en kombination af flere foranstaltninger udnytte deres respektive fordele og kompensere for mangler. Implementering af forskellige foranstaltninger kan etablere flere lag af brandbeskyttelse.