Понятие предела огнестойкости для строительных конструкций

Понятие предела огнестойкости для строительных конструкций

Одним из наиболее значимых расчётных показателей, определяющих степень пожарной безопасности объектов и сооружений, является так называемый предел огнестойкости конструкции.

Под этим показателем понимается её способность сохранять свои несущие, оградительные и теплоизолирующие свойства в условиях воздействия открытого огня при длительном горении.

Также отметим, что огнестойкость вычисляется как промежуток времени, за который сооружение разрушается до критического состояния, описываемого рядом специфических признаков.

Определение степени огнестойкости

Степень огнестойкости строительных объектов и их класс пожарной опасности оценивается при проектировании системы противопожарных мероприятий, как этого требуют статьи 13 и 14 ФЗ-123, которые необходимо жестко выполнить архитектору и конструктору при проектировании и реконструкции сооружений.

Огнестойкость характеризуется временем сопротивления здания или сооружения к воздействию огня. Ее рассчитывают, применяя ст. 30 ФЗ 123. Пожароопасность для каждого объекта определяют с учетом пожароопасности строительных материалов, применяемых при его строительстве. Степень огнестойкости и класс пожароопасности дает возможность оценить скорость распространения огня по объекту во время пожара.

Предел стойкости зданий определяется временем, в пределах которого пожар воздействует на объект до его полного разрушения.

Требования к светопрозрачным конструкциям

Фасадные конструкции нормируются согласно ФЗ -123 статья 87 пункт 2 ссылка на таблицу 21.

Для остекления наружной ненесущей стены предел огнестойкости Е-15, Е-30.

Соответствие степени огнестойкости и предела огнестойкости строительных конструкций зданий, сооружений и пожарных отсеков (таблица 21)

Ограждающие конструкции нормируются согласно ФЗ-123 статья 88 пункт 1, 2, 3 ссылка на таблицы 23, 24.

Пределы огнестойкости противопожарных преград (таблица 23)

Пределы огнестойкости заполнения проемов в противопожарных преградах (ФЗ — 123 статья 88 пункт 1, 2, 3 таблица 24)

Специфика примененения противопожарных светопрозрачных конструкций требует знания таблиц ФЗ-123. Так в перегородке EIW 45 применяется дверь с пределом огнестойкости EIW 30 что видно при использовании таблиц 23 и 24.

Противопожарные светопрозрачные конструкции Применение пределов огнестойкости в светопрозрачных конструкциях по ФЗ -123 таблица 21, 23, 24.

Классы огнестойкости согласно ФЗ №123 (таблица 21, 23, 24):

Выдержки из ФЗ -123

Выдержки из Федерального закона РФ №123-Ф3 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности»

Статья 87
Требования к огнестойкости и пожарной опасности зданий, сооружений и пожарных отсеков

п.2. Пределы огнестойкости строительных конструкций должны соответствовать принятой степени огнестойкости зданий, сооружений, строений и пожарных отсеков. Соответствие степени огнестойкости зданий, сооружений, строений и пожарных отсеков и предела огнестойкости применяемых в них строительных конструкций приведено в таблице 21 приложения к настоящему Федеральному закону.

Статья 88
Требования к ограничению распространения пожара в зданиях, сооружениях, пожарных отсеках

п.2. Пределы огнестойкости и типы строительных конструкций, выполняющих функции противопожарных преград, соответствующие им типы заполнения проемов и тамбур-шлюзов приведены в таблице 23 приложения к настоящему Федеральному закону.

п.З. Пределы огнестойкости для соответствующих типов заполнения проемов в противопожарных преградах приведены в таблице 24 приложения к настоящему Федеральному закону.

п 8. Окна в противопожарных преградах должны быть неоткрываюшимися, а противопожарные двери и ворота должны иметь устройства для самозакрывания. Противопожарные двери, ворота, шторы, люки и клапаны, которые могут эксплуатироваться в открытом положении, должны быть оборудованы устройствами, обеспечивающими их автоматическое закрывание при пожаре.

п 9. Общая площадь проемов в противопожарных преградах не должна превышать 25 процентов их площади.

Требования современного законодательства в области пожарной безопасности
ФЗ РФ № 123, ГОСТ 33000-2014, ГОСТ Р 53308-2009, ГОСТ Р 53307-2009, ГОСТ Р 53301-2013

Противопожарные конструкции Еврогласс-техно

Как обозначается величина

Конечно, такая величина имеет свою маркировку.

В проектной и прочей документации разные показатели обозначаются буквенно-цифровыми символами.

Покажем, как выглядит маркировка величины у строительных конструкций.

• (W) – достижение порогового значения плотности потока тепла на заданной дистанции от ненагреваемой поверхности объекта;
• (I) – утрата теплоизоляционных свойств по причине повышения температуры до максимальной на ненагреваемой поверхности;
• (E) – время, за которое нарушается целостность объекта;
• (R ) – временной промежуток, за который объект утрачивает несущую способность.

Предельное значение огнеупорности для заполнения проемов специальных преград наступает в следующих случаях.

• достижение предела плотности потока тепла (W) либо дымо- , газонепроницаемости (S);
• утрате теплоизоляции (I);
• утрате целостности (E).

Если время сопротивления огню у металла небольшое, то у него велика тепловая емкость и проводимость тепла.

Такой металл при пожаре не способен держать большую нагрузку.

Поэтому наступает предел по критерию утраты несущей способности (R ).

К ненесущим конструкциям объекта могут применяться смешанные обозначения (к примеру, маркировка RE30 либо REI60).

Внимание! Если по одному из этих показателей наблюдается повышение, значит, для нашей стройконструкции настал предел огнеупорности.

Степени огнестойкости и их характеристика

Выделение пяти базовых степеней огнестойкости зданий и сооружений осуществляется в соответствии с СНиП 21.01-97. За основу при выводе этого показателя как правило берется степень огнестойкости основных элементов конструкции, несущих функциональную роль.

Приведем примерные характеристики знаний в зависимости от показателя их огнестойкости

• I степень. Здания, имеющие ограждающие, а также несущие конструкции с использованием плитных и листовых негорючих материалов, железобетона, бетона. А также построенные на основе как естественных, так и искусственных материалов.
• II степень. Здания имеют характеристики, схожие с описанными выше. Дополнительно, покрытия зданий могут иметь и незащищенные конструкции из стали.
• III степень. Здания, несущие, либо ограждающие конструкции которых построены с использованием как естественных, так искусственных материалов (в частности каменных). Перекрытия могут быть возведены из дерева при условии если они защищены трудногорючими материалами (штукатуркой, плитами и т.д.). Элементы чердачного покрытия постройки тоже должны пройти огнезащитную обработку при помощи специальных материалов. Требования, связанные с распределением огня, а также непосредственно показателями огнестойкости, не распространяются на элементы покрытий.
• IIIа степень. Здания чаще всего имеют каркасную конструктивную схему. Эти элементы (незащищенные конструкции) чаще всего изготавливаются из стали. На изготовление ограждающих конструкций идут профилированные листы из стали, либо другого материала (негорючего, либо с утеплителем из трудногорючего материала).
• IIIб степень. К этой категории относятся преимущественно одноэтажные постройки, имеющие каркасную конструктивную схему. Элементы каркаса в большинстве случаев изготовлены из древесины (допустимо использование как цельного, так клееного материала). Необходимый показатель предела распространения огня достигается при помощи обработки дерева обработки специальными материалами. Для ограждающих конструкций могут быть использованы древесины, а также любые материалы на ее основе; сами ограждающие конструкции могут быть собраны из панелей, либо поэлементно. Для того, чтобы был достигнут показатель необходимого предела распределения огня, а также древесина была максимально защищена от воздействия огня и температурного воздействия, ее также следует обработать материалами, придающими ей требуемые свойства.
• IV степень. Знания отличаются несущими, а также ограждающими конструкциями, построенными из горючих, либо трудногорючих материалов. Для защиты от воздействия огня могут быть использованы плитные, листовые материалы, а также штукатурка. Элементы покрытий не должны отвечать тем или иным требованиям в плане огнестойкости, а также пределу распространения огня. Тем не менее, элементы чердачного покрытия при необходимости могут подвергаться обработке от воздействия как высоких температур, так открытого огня.
• IVа степень. Одноэтажные здания, имеющие каркасную конструктивную схему. Элементы самого каркаса чаще всего из стальных конструкций, не имеющих специальной защиты. Ограждающие конструкции постройки строятся с использованием негорючих материалов, либо материалов, имеющих специальный горючий утеплитель (например, из профилированного железа).
• V степень. Под эту категорию попадают те постройски, несущие и ограждающие конструкции которых могут иметь произвольный показатель огнестойкости и предела распространения огня. Никаких других требований к ним не предъявляется.

Расчёт огнестойкости железобетонных конструкций с применением системы «Теплопроводность» в ЛИРА САПР

Требования нормативных документов при расчёте пределов огнестойкости

Требования к пределам огнестойкости строительных конструкций содержатся в СНиП 21-01-97*, в таблице 4, а также в таблице 21 ФЗ-123.

Согласно СТО 36554501-006-2006, п.4.4: за предел огнестойкости железобетонных конструкций принимают время в минутах от начала огневого стандартного воздействия до возникновения одного из предельных состояний по огнестойкости:

• по потере несущей способности R конструкций и узлов (обрушение или недопустимый прогиб в зависимости от типа конструкций);
• по теплоизолирующей способности I — повышение средней температуры на необогреваемой поверхности до 160 °С по сравнению с температурой конструкции до нагрева, или прогрев до 220 °С независимо от температуры конструкции до огневого воздействия;
• по целостности Е — образование в конструкции сквозных трещин или сквозных отверстий, через которые проникают продукты горения и пламя.

4.12 Передел огнестойкости железобетонной конструкции наступает при прогреве рабочей арматуры в конструкции до критической температуры, а также при нагреве бетона в расчётном сечении выше его критической температуры.

Расчёт предела огнестойкости по СТО 36554501-006-2006

где τ — время нагрева, мин;
t_e — начальная температура, °С.
При начальной температуре t_e = 20 °С, по уравнению (6.4) температура среды поднимается в зависимости от времени огневого воздействия (табл. 6.1)

Решение задачи нестационарной теплопроводности сводится к определению температуры бетона в любой точке поперечного сечения в заданный момент времени.

Реализация расчёта нестационарной задачи теплопроводности в ЛИРА САПР

Этап 1. Моделирование сечения

Для решения этой задачи, следует смоделировать поперечное сечение конструкции в 15-м признаке схемы

Этап 2. Назначение жёсткостей

Смоделированным элементам следует назначить типы жёсткости

Этап 3. Задание внешней нагрузки. Предыстория (исходное состояние)

В загружении 1, следует выделить все узлы схемы и задать в них нагрузку, которая будет соответствовать исходной температуре конструкции – 20 °С. После задания нагрузки на узлы, они окрашиваются в зелёный цвет.

Этап 4. К элементам конвекции, следует приложить внешнюю нагрузку.

В загружении № 5 к стержням по периметру сечения прикладываем заданную температуру в 1 °С. Загружения 2-4 оставить свободными. После задания нагрузки на элементы, они приобретают оранжевый цвет.

Значение температуры 1 °С служит для формирования динамического загружения, которое будет строиться на основе графика температур при пожаре в определённый момент времени. Температура по графику будет умножаться на значение 1 °С, и имитировать внешний нагрев сечения.

Этап 5. Задание пожара.

Нажатием на кнопку Формирование динамических загружений из статичестких, вызвать окно для ввода параметров динамической нагрузки. Динамика формируется их 5-го загружения (конвекции). Номер самого динамического загружения, по умолчанию, выбран третий. Выбрать закон преобразования (Ломаный с произвольным шагом или Тепловое излучение). Задать количество точек 22 (21 – по таблице 6.1 + 1 – нулевой момент). Подтвердить ввод количества точек. В появившейся таблице задать закон изменения температуры. В левом столбце вводить время (в секундах), в правом температуру из таблицы 6.1.

После ввода значений зависимости время-температура, следует нажать +, чтобы подтвердить создание динамической нагрузки.

Вызвать окно задания параметров динамики во времени:

После задания параметров, следует выполнить расчёт.

Этап 6. Чтение результатов.

На рисунке показаны изополя температур на 9000-й секунде расчёта, что соответствует пределу огнестойкости R150. По значению температуры, в местах установки арматурных стержней, можно сделать вывод: обеспечен требуемый предел огнестойкости или нет.

Расчёт огнестойкости простых сечений

В ПК ЛИРА САПР реализован автоматический расчёт огнестойкости простых сечений, т.е. тех, для которых подбирается арматура в пятом признаке схемы. При задании параметров материалов, в свойствах Типа следует отметить учёт огнестойкости. В диалоговом окне следует задать параметры горения.

Арматура будет подобрана с учётом требований огнестойкости.

Для сложных и нестандартных сечений, следует воспользоваться 15-м признаком схемы.

Способы увеличения предела огнестойкости стройматериалов

Существует целый ряд способов, способствующих увеличению времени сопротивления конструкций и материалов огню:

Обмазки и штукатурки. Один из наиболее распространенных и доступных способов. Может применяться для таких материалов, как дерево и древесно-стружечные изделия, железобетон, бетонные блоки, металл, полимерные стройматериалы. Может применяться как на несущих, так и ограждающих конструкциях. Эффективная толщина слоя защиты не менее 25мм. Хорошие показатели защиты продемонстрированы такие обмазки, как: известково-цементная штукатурка, вермикулит, перлит. Использование асбест-вермикулита является более эффективным методом, но допускается только в помещениях с ограниченной посещаемостью из-за вредного влияния асбеста.

Облицовка. Может осуществляться как специальными материалами вроде гипсовых плит или шамотного кирпича, так и обычным керамическим кирпичом. Эффективность защиты зависит от толщины изоляции. Глиняная плита толщиной до 80 мм повышает предел огнестойкости бетонной колонны до 4,8 ч. А облицовка такого же элемента обычным глиняным кирпичом — всего до 2 ч.

Защитные экраны. Чаще всего такими конструкциями в виде подвесных потолков с несгораемыми плитами закрываются панели перекрытия. Современные производители отделочных материалов выпускают довольно большое количество трудносгораемых листовых облицовок и сайдинга, который можно устанавливать на стены и колонны. Экраны могут различаться по своему защитному эффекту: теплоотводящие и поглощающие. Последние, как правило, защищают от лучистой энергии открытого пламени. Различается и конструктивное исполнение, бывают стационарные экраны и передвижные (временные).

Одной из разновидностей защитных экранов являются водяные завесы. Они создаются различными установками автоматического пожаротушения, как правило дренчерными. Их можно причислить к отдельному способу увеличения огнестойкости. Однако при стремительном распространении очага возгорания по большой площади такой способ малоэффективен. С недавнего времени существует решения, позволяющие более эффективно защищать металлические конструкции. Несущие колонны охлаждаются путём циркуляции воды во внутренних полостях изделия.

Химические средства защиты. Обычно антипиреновые составы в виде пропиток применяются для обработки древесины. Однако такой способ является довольно дорогостоящим и трудоемким. Кроме того его эффективность в значительной мере зависит от типа древесины — строения и плотности древесных волокон. В большинстве случаев приобретённые защитные свойства материала значительно ниже тех, которые рекламирует производитель антипиреновой грунтовки.

Защитные лакокрасочные материалы. Наносятся на поверхность строительной конструкции и пригодны для использования на любом стройматериале. Принцип действия большинства таких защит состоит в термореактивном эффекте. Под воздействием температуры краска вспучивается, создавая дополнительный слой теплоизоляции. Такие покрытия имеют сравнительно доступную стоимость, просты в предварительной подготовке основания и самой смеси. Легко наносятся на поверхности любой сложности. Имеют хорошие огнезащитные показатели и широкий спектр применения. Как правило, используются для повышения предела огнестойкости металлических конструкций.

Наиболее распространенными на данный момент являются следующие средства:

• Германия — Пироморс, Унитерм;
• Финляндия — Винтер;
• Венгрия — Фламс САФЕ;
• Россия — Файрекс;
• Украина — ОВК — 2, Эндотерм – ХТ — 150.

Несмотря на высочайшую эффективность, таким материалы можно приготовить самостоятельно. Для этого необходимо смешать истолченный в порошок асбест и жидкое стекло в пропорциях 4 к 10 соответственно. Смесь тщательно перемешать. В зависимости от консистенции она может наноситься щеткой, валиком или при помощи краскопульта. Ориентировочный расход защитной смеси 0,5-1 кг/м 2 при слое 2-3 мм.

При использовании многокомпонентных защитных химических средств необходимо помнить, что в состав некоторых из них входят органические компоненты. При превышении температуры более 300°С такие средства разлагаются с выделением в атмосферу токсичных веществ. Предпочтительнее использовать вспучивающиеся покрытия на минеральной основе с жидким стеклом в виде вяжущего ВЗП-1 — ВЗП-12.

Прессование древесины. Сравнительно новый и дорогостоящий метод, который заключается во введении в толщу древесины специальных химических веществ, размягчающих целлюлозу. После этого осуществляется прессование под большим давлением. После этого материал приобретает значительную плотность и прочность, а также устойчивость к огню с повышением категории до трудносгораемых.

Класс пожарной опасности строительных конструкций

Вторая нормируемая характеристика – класс пожарной опасности строительных конструкций при испытании по ГОСТ 30403-96. Используют испытательные печи с двумя камерами — огневой (стандартный режим пожара) и тепловой (температурный режим, обусловленный передачей тепла из огневой камеры).

Время воздействия на образец конструкции определяется пределом огнестойкости. Размеры образца для испытаний, включающего стыковые соединения, по длине и ширине – не менее 2,4 м и 1,3 м.

Фото 5. Внешний вид образцов конструкций покрытия из профлиста, минералловатного утеплителя и полимерной кровли: а) до испытания; б) после испытания

Фото 6. Внешний вид образцов конструкции покрытия из профлиста, пенополистирола и полимерной кровли: а) до испытания; б) после испытания

Что характеризует пожарную опасность конструкции:

1. тепловой эффект (не по абсолютной величине) от горения материалов образца;
2. пламенное горение газов, выделяющихся при термическом разложении материалов образца, сроком более 5 сек;
3. горящий расплав при продолжительности горения более 5 сек.
4. размер повреждения образца в контрольной зоне – определяют по утеплителю, т.е. по результату вскрытия после испытания;
5. пожарная опасность материалов исполнения.

Область применения строительных конструкций в зависимости от класса конструктивной пожарной опасности здания и класса пожарной опасности конструкции определяют по таблице 5* СНиП 21-01-97*.

Пример: класс пожарной опасности стен, перегородок и бесчердачных покрытий, независимо от исполнения (сэндвич-панели или других изделий), должен соответствовать КО в зданиях СО (класс конструктивной пожарной опасности здания).

Конструкции из сэндвич-панелей не подлежат обязательной сертификации в Системе сертификации в области пожарной безопасности. Но большинство изготовителей (продавцов) стремятся к получению сертификата по добровольной схеме.

Металлические конструкции.

Пределы сопротивлению огню большинства незащищенных металлических материалов очень малы и находятся в пределах: (R10 – R15) для стальных частей; (R6 – R8) для алюминиевых конструкций. Исключение составляют колонны массивного сплошного сечения, у которых предел к сопротивлению без огнезащиты может достигать R 45, но применение таких частей в строительной практике встречается крайне редко.

В случаях, когда минимально требуемая огнестойкость конструкции (за исключением в составе противопожарных преград) указан R15 (RE15, REI15), допускается применять незащищенные стальные конструкции независимо от их фактического предела, за исключением случаев, когда огнестойкость несущих элементов здания по результатам испытаний составляет менее R8 (п. 5.4.2 СП 2.13130.2009).

Причина столь быстрого исчерпания незащищенными металлическими элементами способности сопротивляться воздействию пожара заключается в больших значениях теплопроводности и малых значениях теплоемкости. Высокая теплопроводность металла практически не вызывает температурного градиента внутри сечения металлической конструкции.

Это приводит к тому, что при пожаре температура незащищенных деталей быстро достигает критических температур прогрева металла, при которых происходит снижение прочностных свойств материала до такой величины, что деталь становится неспособной выдерживать приложенную к ней внешнюю нагрузку, в результате чего наступает предельное состояние по признаку потере несущей способности (R).

Значения критической температуры Tcr прогрева различных металлических деталей при нормативной эксплуатационной нагрузке приведены в таблице:

Низколегированная сталь марки:

Алюминевые сплавы марки:

Как видно из таблицы критические температуры для алюминиевых конструкций в 2-3 раза ниже, чем у стальных элементов.

Деревянные конструкции.

По сравнению с металлическими аналогами, деревянным свойственна горючесть. На пределы огнестойкости деревянных деталей влияют несколько факторов: время, которое проходит от начала взаимодействия огня с материалом до факта непосредственного воспламенения дерева, время, затрачиваемое от начала горения до достижения предельного состояния.

Для улучшения огнестойкости древесины традиционно прибегают к нанесению нескольких слоев штукатурки. Двухсантиметровый слой, нанесенный на колонну из дерева, способен увеличить этот предел и деревянной детали до R60. Высокой эффективностью огнезащиты обладают всевозможные лакокрасочные покрытия, пропитка древесины антипиренами.

Особенности определения предела к сопротивлению.

Перед ее определением, сооружения необходимо осуществить расчет огнестойкости строительных конструкций, которые его составляют. При таком расчете необходимо учитывать определенные нюансы.

1. Во-первых, слоистые ограждения значительно превосходит по своим теплоизоляционным характеристикам каждый отдельно взятый материал, из которых они изготовлены.
2. Во-вторых, изделия, имеющие в своем составе воздушные прослойки, повышают свой уровень в среднем на 10% по сравнению с аналогичными изделиями, не имеющими такой прослойки.

В-третьих, при расчете необходимо учитывать направление теплового потока и соответствующим образом размещать защитные слои, вплоть до их несимметричного нанесения.

Как увеличить этот показатель.

Для повышения показателя огнестойкости (предельного значения, характеризующего его негорючесть), в строительстве принято применять специальные огнезащитные покрытия.

С их помощью удаётся блокировать доступ открытого огня к защищаемым поверхностям, сохраняя конструкцию в рабочем состоянии на протяжении требуемого нормативами времени.

Защите от воздействия открытого огня подлежат элементы сооружений с нормируемым показателем, поверхности воздуховодов и газовых коммуникаций, кабельные сети с участками, проходящими через незащищённые от огня ограждения. Обязательно защищаются резервуары, используемые для хранения нефтепродуктов.

Изменение огнестойкости в сторону его увеличения удаётся достичь путём защитной обработки элементов сооружений, либо же за счёт доработки их конструкции.

Для этих целей могут применяться защитные покрытия, формируемые посредством кирпича или бетона, а также оштукатуривание. Это метод годится для сооружений, способных выдержать дополнительную нагрузку.

Применяется облицовка плитами или специальными защитными экранами, обработка (отделка) защищаемых поверхностей огнеупорными составами и материалами. Используется пропитка деревянных частей и элементов.