Hur brandsäkrar man stålkonstruktioner?

Stålkonstruktioner har en kritisk svaghet: dålig brandmotstånd. För att säkerställa att stålkonstruktioner bibehåller sin styrka och styvhet under längre perioder under bränder, för att skydda liv och egendom, implementeras ofta flera brandskyddsåtgärder i praktiska tekniska projekt.

Den här artikeln kommer att beskriva olika brandskyddsåtgärder baserat på deras underliggande principer och jämföra deras fördelar och nackdelar.

Brandskyddsåtgärder i stålkonstruktioner delas in i två kategorier baserat på principen: värmeisoleringsmetoder och vattenkylningsmetoder. Deras gemensamma mål är att säkerställa att komponenter inte överskrider sin kritiska temperatur inom en angiven tidsram. Skillnaden ligger i tillvägagångssättet: termiska isoleringsmetoder förhindrar värmeöverföring till komponenterna, medan vattenkylningsmetoder tillåter värme att nå komponenterna och sedan avleda den för att uppnå målet.

Brandbeständighetsklassificeringen för en stålkonstruktion hänvisar till hur länge den står emot brand under ett standardbrandtest, mätt från det att den utsätts för brand tills den förlorar stabilitet, integritet eller värmeisolering.

Det är viktigt att notera att även om stål i sig inte antänds eller brinner, så påverkas dess egenskaper avsevärt av temperaturen. Vid 250 grader minskar stålets slagseghet; och över 300 grader minskar dess sträckgräns och slutlig hållfasthet avsevärt. I faktiska bränder, med konstanta belastningsförhållanden, är den kritiska temperaturen vid vilken stålkonstruktioner förlorar statisk jämviktsstabilitet runt 500 grader, medan typiska brandtemperaturer når 800–1000 grader. Följaktligen, under höga brandtemperaturer, genomgår stålkonstruktioner snabbt plastisk deformation, vilket leder till lokalt brott och i slutändan orsakar hela strukturen att kollapsa och misslyckas.

Stålkonstruktioner måste ha brandskyddsåtgärder för att säkerställa tillräckliga brandbeständighetsklasser. Detta förhindrar snabb uppvärmning av stålkomponenter till kritiska temperaturer under bränder, undviker överdriven deformation som leder till strukturell kollaps och vinner därmed värdefull tid för brandbekämpning och säker evakuering, vilket minimerar brandrelaterade-förluster.

Termiska barriärmetoder
Termiska barriärmetoder, kategoriserade efter brandsäkra beläggningar och inkapslingsmaterial, inkluderar sprutning och inkapslingsteknik. Spraymetoden skyddar komponenter genom att belägga eller spraya brandsäkra beläggningar. Inkapslingsmetoden kan vidare delas in i ihålig inkapsling och solid inkapsling.

Spraymetod

Vanligtvis appliceras eller sprutas brandsäkra beläggningar på stålytor för att bilda ett-brandbeständigt värmeisoleringsskikt, vilket förbättrar stålkonstruktionernas brandbeständighet. Denna metod erbjuder enkel konstruktion, låg vikt, förlängd brandbeständighetstid och är inte begränsad av den geometriska formen hos stålkomponenter. Det erbjuder god kostnads-effektivitet och funktionalitet, vilket gör det allmänt tillämpat. Stålstruktur brandsäkra beläggningar finns i olika typer, brett kategoriserade i två klasser: Klass B tunn-filmbeläggningar (dvs stålstruktur svällande brandsäkra beläggningar) och Klass H tjocka-filmbeläggningar.

Klass B brandsäkra beläggningar har vanligtvis en beläggningstjocklek på 2-7 mm. Deras basmaterial är organiskt harts, vilket ger en viss dekorativ effekt samtidigt som de expanderar och förtjockas vid höga temperaturer. Deras brandbeständighet kan nå 0,5 till 1,5 timmar. Brandsäkra beläggningar med tunn-film av stålstruktur har en tunn beläggning, låg vikt och bra vibrationsbeständighet. För exponerade stålkonstruktioner inomhus och lätta takstålkonstruktioner där en brandbeständighet på 1,5 timmar eller mindre är specificerad, rekommenderas brandsäkra beläggningar med tunn-film av stålkonstruktioner. H-brandsäkra beläggningar har vanligtvis en beläggningstjocklek på 8 till 50 mm och uppvisar en granulär yta. De består huvudsakligen av oorganiska värmeisoleringsmaterial och har låg densitet och värmeledningsförmåga. Brandbeständigheten kan nå 0,5 till 3,0 timmar. Tjocka-filmstrukturella brandsäkra beläggningar är i allmänhet icke-brännbara, resistenta mot åldrande och erbjuder pålitlig hållbarhet. För dolda inomhusstålkonstruktioner, hög-all-stålkonstruktioner och fler-industriella anläggningsstålkonstruktioner som kräver en brandbeständighet på 1,5 timmar eller högre, bör tjockfilmsstrukturella brandsäkra beläggningar väljas.

Inkapslingsmetod

1) Metod för ihålig inkapsling: Använder vanligtvis brandsäkra brädor eller eldfasta tegelstenar för att omsluta stålkomponenter längs deras yttre omkrets. De flesta stålkonstruktioner i inhemska petrokemiska anläggningar använder eldfast tegelmurverk för att skydda stålkomponenter. Denna metod erbjuder hög hållfasthet och slagtålighet men har nackdelar inklusive betydande utrymmeskrav och komplex konstruktion. Använda lätta eldfasta paneler som fiber-förstärkta cementskivor, gipsskivor eller vermikulitskivor som brandsäkra yttre skikt. Box-inkapslingsmetoden för stora stålkomponenter erbjuder fördelar inklusive släta och plana ytor, låg kostnad, minimal materialförlust, ingen miljöförorening och åldringsbeständighet, vilket ger lovande utsikter för bred användning.

2) Metod med fast kapsling: Innebär vanligtvis att man kapslar in stålkomponenter genom att gjuta betong för att helt kapsla in dem. Denna metod användes för stålpelare i Shanghais Pudong World Financial Center. Dess fördelar inkluderar hög hållfasthet och slagtålighet, men nackdelarna inkluderar det betydande utrymmet som upptas av betongskyddsskiktet och relativt komplex konstruktion, särskilt på stålbalkar och stag.

Vattenkylningsmetoder

Vattenkylningsmetoder inkluderar vattenspraykylning och vattenfylld kylning-.

Vattenspray kylning
Vattenspraykylning innebär installation av automatiska eller manuella sprinklersystem ovanför stålkonstruktionen. Under en brand bildar aktivering av sprinklerna en kontinuerlig vattenfilm på stålytan. När lågor når stålytan absorberar det förångande vattnet värme, vilket fördröjer strukturens uppnående av sin gränstemperatur. Denna metod implementerades i Civil Engineering Building vid Tongji University.

Vatten-fylld kylning

Vattenfylld-kylning innebär att ihåliga stålelement fylls med vatten. Cirkulerande vatten i stålkonstruktionen absorberar värme som genereras av stålet självt, vilket gör att konstruktionen kan bibehålla lägre temperaturer under en brand och förhindra förlust av last-bärande kapacitet på grund av överdriven uppvärmning. För att förhindra korrosion och frysning måste vattnet innehålla rostskyddsmedel och frostskyddsmedel. Denna metod användes för stålpelare i den 64 våningar höga US Steel Building i Pittsburgh, USA.

Värmeisoleringsmetoder använder värme-blockerande material för att bromsa överföringen av värme till stålkonstruktionskomponenter. Sammantaget erbjuder isolering bättre ekonomisk lönsamhet och praktiska egenskaper, vilket gör den allmänt använd i verkliga tekniska tillämpningar. Även om vattenkylning är en effektiv brandskyddsåtgärd, har dess specialiserade strukturella designkrav och högre kostnader begränsat dess utbredda användning inom ingenjörspraktiken.

Eftersom värmeisolering används i stor utsträckning inom brandskydd av stålkonstruktioner fokuserar följande avsnitt på att jämföra fördelarna och nackdelarna med spraybeläggning och inkapslingsmetoder inom värmeisoleringsåtgärder.

Brandmotstånd

När det gäller brandmotstånd överträffar inkapslingsmetoden spraybeläggningsmetoden. Inkapslingsmaterial som betong och eldfast tegel uppvisar överlägsen brandbeständighet jämfört med konventionella brandsäkra beläggningar. Dessutom överträffar brandbeständigheten hos nya brandsäkra paneler brandsäkra beläggningar. Deras brandmotståndsgräns är betydligt högre än för brandsäkra isoleringsmaterial av samma tjocklek för stålkonstruktioner, och överskrider till och med gränsen för svällande brandsäkra beläggningar.

Varaktighet

Inkapslingsmaterial som betong uppvisar överlägsen hållbarhet och motstår prestandaförsämring över tid. Hållbarhet är fortfarande en olöst utmaning för brandsäkra beläggningar av stålstruktur. Organiska-baserade tunna och ultra-tunna brandsäkra beläggningar, oavsett om de appliceras inomhus eller utomhus, kan uppleva nedbrytning, nedbrytning eller åldrande av deras organiska komponenter. Detta leder till att beläggningen flagnar, puderbildning eller förlust av brandskyddsegenskaper.

Bearbetbarhet

Sprayapplicering för brandskydd av stål är enkel och kräver inga komplicerade verktyg. Sprayapplicerade-beläggningar erbjuder dock dålig kvalitetskontroll-. Rostborttagning, beläggningstjocklek och omgivningsfuktighet är svåra att hantera. Inkapslingsmetoder är mer komplexa, särskilt för stag och balkar, men ger överlägsen kontrollerbarhet och jämn kvalitet. Brandmotståndsgränser kan kontrolleras exakt genom att justera inkapslingsmaterialets tjocklek.

Miljöpåverkan

Sprayapplicering förorenar miljön under byggandet, särskilt eftersom skadliga gaser kan avges vid höga temperaturer. Inkapslingsmetoder ger inga giftiga utsläpp under konstruktion, normal användning eller under brandförhållanden, vilket gynnar miljöskyddet och personalens säkerhet under bränder.

Ekonomi

Spraymetoden har enkel konstruktion, kort projekttid och låga byggkostnader. Men brandsäkra beläggningar är dyra och underhållskostnaderna är höga på grund av problem som beläggningens åldrande. Inslagningsmetoden har högre byggkostnader men använder billiga material och medför låga underhållskostnader. Sammantaget ger lindningsmetoden bättre ekonomisk effektivitet.

Tillämplighet

Spraymetoden är inte begränsad av komponentgeometri och används ofta för att skydda balkar, pelare, golvplattor, takkonstruktioner och andra komponenter. Den är särskilt lämplig för brandskydd i rumsliga strukturella system som lätta stålkonstruktioner, rymdstrukturer och oregelbundna stålkonstruktioner. Omslagsmetoden innebär komplex konstruktion, speciellt för komponenter som stålbalkar och stag. Det är i allmänhet vanligare för kolonner och har ett mindre omfattande användningsområde än spraymetoden.

Utrymmesbeläggning

Brandsäkra beläggningar som används vid sprayapplicering upptar minimal volym, medan inkapslingsmaterial som betong och brandsäkra tegel förbrukar utrymme, vilket minskar användbar yta. Dessutom är inkapslingsmaterial betydligt tyngre.

Baserat på ovanstående analys kan följande slutsatser dras:

1) Valet av brandskyddsåtgärder för stålkonstruktioner måste ta hänsyn till flera faktorer, inklusive elementtyp, konstruktionssvårigheter, kvalitetskrav, hållbarhetsbehov och ekonomisk effektivitet;

2) Genom att jämföra sprayapplicering och inkapslingsmetoder erbjuder sprayapplicering främst fördelar i förenklade konstruktionstekniker och minimal förändring av komponentens utseende efter-applicering. Inkapsling erbjuder främst fördelar i lägre kostnad, överlägsen brandmotstånd och hållbarhet;

3) Varje brandskyddsåtgärd har distinkta styrkor och begränsningar. I tekniska tillämpningar kan kombinationen av flera åtgärder dra nytta av deras respektive fördelar och kompensera för brister. Genom att genomföra olika åtgärder kan flera lager av brandskydd skapas.