Kuidas tulekindlaid teraskonstruktsioone?

Teraskonstruktsioonidel on kriitiline nõrkus: halb tulekindlus. Teraskonstruktsioonide pikaajalise tugevuse ja jäikuse säilitamiseks tulekahjude ajal, inimelude ja vara kaitsmiseks rakendatakse praktilistes inseneriprojektides sageli mitmeid tulekaitsemeetmeid.

Selles artiklis kirjeldatakse üksikasjalikult erinevaid tulekaitsemeetmeid nende aluspõhimõtete alusel ning võrreldakse nende eeliseid ja puudusi.

Teraskonstruktsioonide tulekaitsemeetmed jagunevad põhimõtteliselt kahte kategooriasse: soojusisolatsioonimeetodid ja vesijahutusmeetodid. Nende ühine eesmärk on tagada, et komponendid ei ületaks määratud aja jooksul oma kriitilist temperatuuri. Erinevus seisneb lähenemises: soojusisolatsioonimeetodid takistavad soojusülekannet komponentidele, vesijahutusmeetodid aga võimaldavad soojusel jõuda komponentideni ja seejärel eesmärgi saavutamiseks hajutada.

Teraskonstruktsiooni tulepüsivusaste viitab tulekindluse kestusele standardse tulekatse ajal, mõõdetuna hetkest, mil see puutub kokku tulega, kuni selle stabiilsuse, terviklikkuse või soojusisolatsiooni kaotamiseni.

Oluline on märkida, et kuigi teras ise ei sütti ega põle, mõjutab temperatuur oluliselt selle omadusi. 250 kraadi juures väheneb terase löögikindlus; ja üle 300 kraadi vähenevad selle voolavuspiir ja ülim tugevus oluliselt. Tegelike tulekahjude korral konstantse koormuse tingimustes on kriitiline temperatuur, mille juures teraskonstruktsioonid kaotavad staatilise tasakaalu stabiilsuse, umbes 500 kraadi, samas kui tüüpiline tulekahju temperatuur ulatub 800–1000 kraadini. Järelikult läbivad teraskonstruktsioonid kõrgel põlemistemperatuuril kiiresti plastilist deformatsiooni, mis viib lokaalse rikkeni ja põhjustab lõpuks kogu konstruktsiooni kokkuvarisemise ja rikke.

Teraskonstruktsioonid peavad sisaldama tulekaitsemeetmeid, et tagada piisav tulepüsivus. See hoiab ära teraskomponentide kiire kuumenemise tulekahjude ajal kriitilise temperatuurini, väldib liigset deformatsiooni, mis viib konstruktsiooni kokkuvarisemiseni, ning võidab seeläbi väärtuslikku aega tulekahju kustutamiseks ja ohutuks evakueerimiseks, minimeerides tulekahjuga seotud{1}}kadusid.

Termilise barjääri meetodid
Tulekindlate kattekihtide ja kapseldamismaterjalide järgi liigitatud soojustõkkemeetodid hõlmavad pihustamis- ja kapseldamistehnikaid. Pihustusmeetod kaitseb komponente tulekindlate kattekihtide katmise või pihustamisega. Kapseldamise meetodit saab veel jagada õõnsaks kapseldamiseks ja tahkeks kapseldamiseks.

Pihustusmeetod

Tavaliselt kantakse või pihustatakse teraspindadele tulekindlaid katteid, et moodustada tulekindel soojusisolatsioonikiht, mis suurendab teraskonstruktsioonide tulepüsivust. See meetod pakub lihtsat konstruktsiooni, kerget kaalu, pikemat tulepüsivust ja seda ei piira teraskomponentide geomeetriline kuju. See pakub head kulutasuvust-ja praktilisust, mistõttu on see laialdaselt rakendatav. Teraskonstruktsiooniga tulekindlaid katteid on erinevat tüüpi, mis jagunevad laias laastus kahte klassi: B-klassi õhukesed{5}kilekatted (st teraskonstruktsiooniga paisuvad tulekindlad katted) ja H-klassi paksud{8}kilekatted.

B-klassi tulekindlate kattekihtide katte paksus on tavaliselt 2-7 mm. Nende alusmaterjal on orgaaniline vaik, mis annab dekoratiivse efekti, samal ajal paisub ja pakseneb kõrgel temperatuuril. Nende tulepüsivus võib ulatuda 0,5–1,5 tunnini. Õhukese-kile teraskonstruktsiooniga tulekindlad katted on õhukese kattekihiga, kerged ja hea vibratsioonikindlusega. Avatud siseruumide teraskonstruktsioonide ja kergkatuste teraskonstruktsioonide puhul, mille tulepüsivus on 1,5 tundi või vähem, on soovitatav kasutada õhuke{11}kile teraskonstruktsioonide tulekindlaid katteid. H--tüüpi tulekindlate katete katte paksus on tavaliselt 8–50 mm ja nende pind on granuleeritud. Peamiselt koosnevad anorgaanilistest soojusisolatsioonimaterjalidest, neil on madal tihedus ja soojusjuhtivus. Tulekindluse reitingud võivad ulatuda 0,5–3,0 tunnini. Paksu{20}}kilega tulekindlad katted on üldiselt mittesüttivad, vastupidavad vananemisele ja pakuvad usaldusväärset vastupidavust. Peidetud siseruumide teraskonstruktsioonide, kõrg-kõik-teraskonstruktsioonide ja mitme-korruseliste tööstusettevõtete teraskonstruktsioonide jaoks, mille tulepüsivusaste on vähemalt 1,5 tundi, tuleks valida paksukilelised tulekindlad katted.

Kapseldamise meetod

1) Õõneskapseldamise meetod: tavaliselt kasutatakse tulekindlaid plaate või tulekindlaid telliseid, et katta teraskomponente piki nende välisperimeetrit. Enamik kodumaiste naftakeemiatehaste teraskonstruktsioone kasutab teraskomponentide kaitsmiseks tulekindlast telliskivist müüritist. See meetod pakub suurt tugevust ja löögikindlust, kuid sellel on puudused, sealhulgas märkimisväärne ruumivajadus ja keeruline konstruktsioon. Kergete tulekindlate paneelide, nagu kiud-tugevdatud tsementplaadid, kipsplaadid või vermikuliitplaadid, kasutamine tulekindlate väliskihtidena. Suurte teraskomponentide kast-kambrimeetod pakub eeliseid, sealhulgas siledad ja tasased viimistletud pinnad, madalad kulud, minimaalne materjalikadu, keskkonnareostuse puudumine ja vananemiskindlus, mis pakub paljutõotavaid väljavaateid laialdaseks kasutuselevõtuks.

2) Tahke ümbrise meetod: tavaliselt hõlmab teraskomponentide katmist betooni valamise abil, et need täielikult kapseldada. Seda meetodit kasutati Shanghai Pudongi maailma finantskeskuse terassammaste jaoks. Selle eelised hõlmavad suurt tugevust ja löögikindlust, kuid puudused hõlmavad betooni kaitsekihi poolt hõivatud suurt ruumi ja suhteliselt keerukat konstruktsiooni, eriti terastaladel ja traksidel.

Vesijahutusmeetodid

Vesijahutusmeetodite hulka kuuluvad vesipihustusjahutus ja -veega täidetud jahutus.

Veepihustusjahutus
Vesipihustusjahutus hõlmab automaatsete või käsitsi sprinklersüsteemide paigaldamist teraskonstruktsiooni kohale. Tulekahju ajal moodustub sprinklerite aktiveerimine teraspinnale pideva veekile. Kui leegid jõuavad terase pinnale, neelab aurustuv vesi soojust, mis aeglustab konstruktsiooni piirtemperatuuri saavutamist. Seda meetodit rakendati Tongji ülikooli ehitushoones.

Veega täidetud{0}}jahutus

Veega täidetud -jahutus hõlmab õõnsate terasdetailide täitmist veega. Teraskonstruktsioonis tsirkuleeriv vesi neelab terase enda tekitatud soojust, võimaldades konstruktsioonil tulekahju ajal madalamat temperatuuri hoida ja vältida liigsest kuumenemisest tingitud kandevõime kaotust. Korrosiooni ja külmumise vältimiseks peab vesi sisaldama roosteinhibiitoreid ja külmumisvastaseid aineid. Seda meetodit kasutati USA-s Pittsburghis asuva 64-korruselise USA terashoone terassammaste jaoks.

Soojusisolatsioonimeetodid kasutavad soojust{0}}blokeerivaid materjale, et aeglustada soojuse ülekandumist teraskonstruktsioonikomponentidele. Üldiselt pakub isolatsioon paremat majanduslikku elujõulisust ja praktilisust, mistõttu on see laialdaselt kasutusel tegelikes insenerirakendustes. Kuigi vesijahutus on tõhus tulekaitsemeede, on selle spetsiifilised konstruktsiooninõuded ja kõrgemad kulud piiranud selle laialdast kasutuselevõttu inseneripraktikas.

Kuna soojusisolatsiooni kasutatakse laialdaselt teraskonstruktsioonide tulekaitses, keskendutakse järgmises jaotises pihustuskatte ja kapseldamismeetodite eeliste ja puuduste võrdlemisele soojusisolatsioonimeetmete raames.

Tulekindlus

Tulekindluse poolest ületab kapseldamismeetod pihustusmeetodit. Kapseldusmaterjalid, nagu betoon ja tulekindlad tellised, omavad tavapäraste tulekindlate katetega võrreldes paremat tulekindlust. Lisaks ületab uute tulekindlate paneelide tulekindlus tulekindlate katete oma. Nende tulepüsivuspiir on oluliselt kõrgem teraskonstruktsioonide sama paksusega tulekindlate isolatsioonimaterjalide omast ja ületab isegi paisuvate tulekindlate katete oma.

Vastupidavus

Kapseldamismaterjalid, nagu betoon, on suurepärase vastupidavusega, taludes aja jooksul jõudluse halvenemist. Vastupidavus jääb teraskonstruktsioonide tulekindlate katete jaoks lahendamata väljakutseks. Orgaanilistel -põhistel õhukestel ja üli-õhukestel tulekindlatel katetel, nii siseruumides kui ka väljas, võivad esineda nende orgaaniliste komponentide lagunemine, lagunemine või vananemine. See toob kaasa katte kihistumise, pulbristumise või tulekindlate omaduste kadumise.

Töövõime

Terase tulekaitse pihustamine on lihtne ega vaja keerukaid tööriistu. Pihustatud-katted tagavad aga rooste eemaldamise, katte paksuse ja keskkonna niiskuse kontrolli halva kvaliteedikontrolli. Kapseldamise meetodid on keerukamad, eriti trakside ja talade puhul, kuid tagavad suurepärase juhitavuse ja ühtlase kvaliteedi. Tulepüsivuse piire saab täpselt reguleerida kapslimaterjali paksuse reguleerimisega.

Keskkonnamõju

Pihustamine saastab ehituse ajal keskkonda, eriti kuna kõrgetel temperatuuridel võivad eralduda kahjulikud gaasid. Kapseldamismeetodid ei tekita toksilisi emissioone ehitamisel, tavakasutusel ega tulekahju tingimustes, mis on kasulik keskkonnakaitsele ja töötajate ohutusele tulekahjude ajal.

Majandusteadus

Pihustusmeetodil on lihtne ehitus, lühike projekti kestus ja madalad ehituskulud. Tulekindlad katted on aga kallid ja hoolduskulud kõrged selliste probleemide tõttu nagu katte vananemine. Mähkimismeetodil on kõrgemad ehituskulud, kuid kasutatakse odavaid materjale ja madalad hoolduskulud. Üldiselt pakub pakkimismeetod paremat majanduslikku efektiivsust.

Kohaldatavus

Pihustusmeetodit ei piira komponentide geomeetria ja seda kasutatakse laialdaselt talade, sammaste, põrandaplaatide, katusekonstruktsioonide ja muude komponentide kaitsmiseks. See sobib eriti hästi tulekaitseks ruumilistes konstruktsioonisüsteemides, nagu kerged teraskonstruktsioonid, ruumikarkassstruktuurid ja ebakorrapärased teraskonstruktsioonid. Mähkimismeetod hõlmab keerukat konstruktsiooni, eriti selliste komponentide puhul nagu terastalad ja traksid. Seda kasutatakse üldiselt sagedamini kolonnide jaoks ja selle kasutusala on väiksem kui pihustusmeetodil.

Ruumi hõivatus

Pihustamisel kasutatavad tulekindlad katted võtavad minimaalse mahu, samas kui kapseldusmaterjalid, nagu betoon ja tulekindlad tellised, kulutavad ruumi, vähendades kasutatavat pinda. Lisaks on kapseldamismaterjalid oluliselt raskemad.

Ülaltoodud analüüsi põhjal saab teha järgmised järeldused:

1) Teraskonstruktsioonide tulekaitsemeetmete valikul tuleb arvesse võtta mitmeid tegureid, sealhulgas elemendi tüüp, konstruktsiooni raskusaste, kvaliteedinõuded, vastupidavusvajadused ja majanduslik efektiivsus;

2) Võrreldes pihustamise ja kapseldamise meetodeid, pakub pihustamine peamiselt eeliseid lihtsustatud ehitustehnikate ja minimaalsete muudatuste osas pärast pealekandmist. Kapseldamine pakub peamiselt eeliseid madalamate kulude, suurepärase tulekindluse ja vastupidavuse osas;

3) Igal tulekaitsemeetmel on erinevad tugevused ja piirangud. Insenerirakendustes võib mitme meetme kombineerimine kasutada nende vastavaid eeliseid ja kompenseerida puudusi. Erinevate meetmete rakendamine võib luua mitu tulekaitsekihti.