Hoe staalconstructies brandveilig maken?

Staalconstructies hebben een kritische zwakte: slechte brandwerendheid. Om ervoor te zorgen dat staalconstructies tijdens branden gedurende langere perioden hun sterkte en stijfheid behouden en levens en eigendommen beschermen, worden in praktische technische projecten vaak meerdere brandbeveiligingsmaatregelen geïmplementeerd.

In dit artikel worden verschillende brandbeveiligingsmaatregelen gedetailleerd beschreven op basis van hun onderliggende principes en worden de voor- en nadelen vergeleken.

Brandbeveiligingsmaatregelen in staalconstructies vallen op basis van principe in twee categorieën: thermische isolatiemethoden en waterkoelingsmethoden. Hun gedeelde doel is ervoor te zorgen dat componenten hun kritische temperatuur binnen een bepaald tijdsbestek niet overschrijden. Het onderscheid ligt in de aanpak: thermische isolatiemethoden voorkomen warmteoverdracht naar de componenten, terwijl waterkoelingsmethoden ervoor zorgen dat warmte de componenten bereikt en deze vervolgens afvoert om het doel te bereiken.

De brandwerendheidsgraad van een staalconstructie verwijst naar de duur dat deze bestand is tegen brand tijdens een standaard brandtest, gemeten vanaf het moment dat deze wordt blootgesteld aan brand totdat de stabiliteit, integriteit of thermische isolatie verliest.

Het is belangrijk op te merken dat hoewel staal zelf niet ontbrandt of verbrandt, de eigenschappen ervan aanzienlijk worden beïnvloed door de temperatuur. Bij 250 graden neemt de slagvastheid van staal af; en boven de 300 graden nemen het vloeipunt en de uiteindelijke sterkte aanzienlijk af. Bij daadwerkelijke branden, met constante belastingsomstandigheden, ligt de kritische temperatuur waarbij staalconstructies de statische evenwichtsstabiliteit verliezen rond de 500 graden, terwijl typische brandtemperaturen 800-1000 graden bereiken. Bijgevolg ondergaan staalconstructies bij hoge brandtemperaturen snel plastische vervorming, wat leidt tot plaatselijk falen en uiteindelijk tot het instorten en bezwijken van de gehele constructie.

Staalconstructies moeten brandbeveiligingsmaatregelen omvatten om voldoende brandwerendheidsclassificaties te garanderen. Dit voorkomt een snelle verwarming van stalen onderdelen tot kritische temperaturen tijdens brand, vermijdt overmatige vervorming die tot structurele instorting leidt, en wint daardoor waardevolle tijd voor brandbestrijding en veilige evacuatie, waardoor brand-verliezen tot een minimum worden beperkt.

Thermische barrièremethoden
Thermische barrièremethoden, ingedeeld naar brandwerende coatings en inkapselingsmaterialen, omvatten spuit- en inkapselingstechnieken. De spuitmethode beschermt componenten door het coaten of spuiten van brandwerende coatings. De inkapselingsmethode kan verder worden onderverdeeld in holle inkapseling en vaste inkapseling.

Spuitmethode

Normaal gesproken worden brandwerende coatings op stalen oppervlakken aangebracht of gespoten om een ​​brand{0}}brandbestendige thermische isolatielaag te vormen, waardoor de brandwerendheid van staalconstructies wordt verbeterd. Deze methode biedt een eenvoudige constructie, een laag gewicht, een langere brandwerendheid en wordt niet beperkt door de geometrische vorm van stalen componenten. Het biedt een goede kosteneffectiviteit en praktische bruikbaarheid, waardoor het op grote schaal wordt toegepast. Brandwerende coatings voor staalconstructies zijn er in verschillende typen, grofweg onderverdeeld in twee klassen: dunne-filmcoatings van klasse B (dwz opschuimende brandwerende coatings van staalconstructies) en dikke filmcoatings van klasse H-.

Brandwerende coatings van klasse B hebben doorgaans een laagdikte van 2-7 mm. Het basismateriaal is organische hars, dat voor een decoratief effect zorgt en bij hoge temperaturen uitzet en dikker wordt. Hun brandwerendheid kan 0,5 tot 1,5 uur bedragen. Brandwerende coatings voor dunne-filmstaalconstructies hebben een dunne coating, zijn licht van gewicht en goed bestand tegen trillingen. Voor blootgestelde stalen constructies binnenshuis en lichtgewicht stalen dakconstructies waarbij een brandwerendheid van 1,5 uur of minder is gespecificeerd, worden brandwerende coatings voor dunne-films van staalconstructies aanbevolen. H-type brandwerende coatings hebben doorgaans een laagdikte van 8 tot 50 mm en vertonen een korrelig oppervlak. Ze zijn voornamelijk samengesteld uit anorganische thermische isolatiematerialen en hebben een lage dichtheid en thermische geleidbaarheid. De brandwerendheidsclassificaties kunnen 0,5 tot 3,0 uur bedragen. Structurele brandwerende coatings met dikke-film zijn over het algemeen niet-brandbaar, bestand tegen veroudering en bieden betrouwbare duurzaamheid. Voor verborgen staalconstructies binnenshuis, hoog-alle-staalconstructies en meer-stalen constructies van industriële installaties die een brandwerendheid van 1,5 uur of hoger vereisen, moeten structurele brandwerende coatings met dikke film worden geselecteerd.

Inkapselingsmethode

1) Holle inkapselingsmethode: er wordt doorgaans gebruik gemaakt van vuurvaste platen of vuurvaste stenen om stalen componenten langs hun buitenomtrek te omhullen. De meeste staalconstructies in huishoudelijke petrochemische fabrieken maken gebruik van vuurvast baksteenmetselwerk om stalen componenten te beschermen. Deze methode biedt een hoge sterkte en slagvastheid, maar heeft nadelen, waaronder aanzienlijke ruimtevereisten en een complexe constructie. Gebruik van lichtgewicht vuurvaste panelen zoals vezel-versterkte cementplaten, gipsplaten of vermiculietplaten als brandwerende buitenlagen. De doos-methode voor het omsluiten van grote stalen componenten biedt voordelen, waaronder gladde en vlak afgewerkte oppervlakken, lage kosten, minimaal materiaalverlies, geen milieuvervuiling en weerstand tegen veroudering, wat veelbelovende vooruitzichten biedt voor brede toepassing.

2) Methode voor massieve behuizing: Meestal gaat het om het omhullen van stalen componenten door beton te gieten om ze volledig in te kapselen. Deze methode werd gebruikt voor de stalen kolommen in het Pudong World Financial Center in Shanghai. De voordelen zijn onder meer hoge sterkte en slagvastheid, maar nadelen zijn onder meer de aanzienlijke ruimte die wordt ingenomen door de betonnen beschermlaag en de relatief complexe constructie, vooral op stalen balken en beugels.

Waterkoelingsmethoden

Waterkoelingsmethoden omvatten watersproeikoeling en water-gevulde koeling.

Watersproeikoeling
Watersproeikoeling omvat het installeren van automatische of handmatige sprinklersystemen boven de staalconstructie. Tijdens een brand vormt het activeren van de sprinklers een continue waterfilm op het stalen oppervlak. Wanneer vlammen het staaloppervlak bereiken, absorbeert het verdampende water warmte, waardoor het bereiken van de grenstemperatuur van de constructie wordt vertraagd. Deze methode werd geïmplementeerd in het Civiele Techniekgebouw van de Tongji Universiteit.

Water-Gevulde koeling

Met water-gevulde koeling gaat het om het vullen van holle stalen onderdelen met water. Circulerend water binnen de staalconstructie absorbeert de warmte die door het staal zelf wordt gegenereerd, waardoor de constructie lagere temperaturen kan handhaven tijdens een brand en verlies van draagvermogen- als gevolg van overmatige verhitting kan worden voorkomen. Om corrosie en bevriezing te voorkomen, moet het water roestremmers en antivriesmiddelen bevatten. Deze methode werd toegepast voor de stalen kolommen in het 64 verdiepingen tellende US Steel Building in Pittsburgh, VS.

Bij thermische isolatiemethoden wordt gebruik gemaakt van warmte-blokkerende materialen om de warmteoverdracht naar stalen structurele componenten te vertragen. Over het geheel genomen biedt isolatie een betere economische levensvatbaarheid en bruikbaarheid, waardoor het op grote schaal wordt toegepast in daadwerkelijke technische toepassingen. Hoewel waterkoeling een effectieve brandbeveiligingsmaatregel is, hebben de gespecialiseerde structurele ontwerpvereisten en hogere kosten de wijdverbreide toepassing ervan in de technische praktijk beperkt.

Omdat thermische isolatie op grote schaal wordt gebruikt bij de brandbeveiliging van staalconstructies, richt de volgende sectie zich op het vergelijken van de voor- en nadelen van spuitcoating- en inkapselingsmethoden binnen thermische isolatiemaatregelen.

Brandwerendheid

Op het gebied van brandwerendheid presteert de inkapselingsmethode beter dan de spuitcoatingmethode. Inkapselingsmaterialen zoals beton en vuurvaste stenen vertonen een superieure brandweerstand vergeleken met conventionele brandwerende coatings. Bovendien overtreft de brandwerendheid van nieuwe brandwerende panelen die van brandwerende coatings. Hun brandweerstandslimiet is aanzienlijk hoger dan die van brandwerende isolatiematerialen van dezelfde dikte voor staalconstructies, en overschrijdt zelfs die van opzwellende brandwerende coatings.

Duurzaamheid

Inkapselingsmaterialen zoals beton vertonen een superieure duurzaamheid en zijn bestand tegen achteruitgang van de prestaties in de loop van de tijd. Duurzaamheid blijft een onopgeloste uitdaging voor brandwerende coatings voor staalconstructies. Op organische-gebaseerde dunne en ultra-dunne brandwerende coatings, zowel binnen als buiten aangebracht, kunnen ontleding, afbraak of veroudering van hun organische componenten optreden. Dit leidt tot afschilfering van de coating, verpoedering of verlies van brandwerende eigenschappen.

Werkbaarheid

Het spuiten van staal voor brandbeveiliging is eenvoudig en vereist geen ingewikkeld gereedschap. Spuit-aangebrachte coatings bieden echter een slechte kwaliteitscontrole-roestverwijdering, laagdikte en omgevingsvochtigheid zijn moeilijk te beheersen. Inkapselingsmethoden zijn complexer, vooral voor beugels en balken, maar bieden superieure beheersbaarheid en consistente kwaliteit. De grenzen van de brandwerendheid kunnen nauwkeurig worden gecontroleerd door de dikte van het inkapselingsmateriaal aan te passen.

Milieu-impact

Spuitapplicatie vervuilt het milieu tijdens de bouw, vooral omdat bij hoge temperaturen schadelijke gassen kunnen vrijkomen. Inkapselingsmethoden produceren geen giftige emissies tijdens de bouw, normaal gebruik of onder brandomstandigheden, wat de bescherming van het milieu en de veiligheid van het personeel tijdens brand ten goede komt.

Economie

De spuitmethode kenmerkt zich door een eenvoudige constructie, een korte projectduur en lage bouwkosten. Brandwerende coatings zijn echter duur en de onderhoudskosten zijn hoog vanwege problemen zoals veroudering van de coating. De wikkelmethode heeft hogere constructiekosten, maar maakt gebruik van goedkope materialen en brengt lage onderhoudskosten met zich mee. Over het geheel genomen biedt de wikkelmethode een betere economische efficiëntie.

Toepasbaarheid

De spuitmethode wordt niet beperkt door de geometrie van de componenten en wordt veel gebruikt voor het beschermen van balken, kolommen, vloerplaten, dakconstructies en andere componenten. Het is bijzonder geschikt voor brandbeveiliging in ruimtelijke structurele systemen zoals lichte staalconstructies, ruimteframeconstructies en onregelmatige staalconstructies. De wikkelmethode omvat een complexe constructie, vooral voor componenten zoals stalen balken en beugels. Het wordt over het algemeen vaker gebruikt voor kolommen en heeft een minder uitgebreid toepassingsgebied dan de spuitmethode.

Ruimtebezetting

Vuurvaste coatings die bij spuittoepassingen worden gebruikt, nemen een minimaal volume in beslag, terwijl inkapselingsmaterialen zoals beton en vuurvaste stenen ruimte in beslag nemen, waardoor de bruikbare oppervlakte wordt verkleind. Bovendien zijn inkapselingsmaterialen aanzienlijk zwaarder.

Op basis van bovenstaande analyse kunnen de volgende conclusies worden getrokken:

1) Bij de selectie van brandbeveiligingsmaatregelen voor staalconstructies moet rekening worden gehouden met meerdere factoren, waaronder het type element, de moeilijkheidsgraad van de constructie, kwaliteitseisen, duurzaamheidsbehoeften en economische efficiëntie;

2) Bij het vergelijken van spuitapplicatie- en inkapselingsmethoden biedt spuitapplicatie vooral voordelen op het gebied van vereenvoudigde constructietechnieken en minimale wijziging in het uiterlijk van de componenten na- de applicatie. Inkapseling biedt vooral voordelen op het gebied van lagere kosten, superieure brandwerendheid en duurzaamheid;

3) Elke brandbeveiligingsmaatregel heeft verschillende sterke punten en beperkingen. In technische toepassingen kan het combineren van meerdere maatregelen hun respectievelijke voordelen benutten en tekortkomingen compenseren. Door het implementeren van verschillende maatregelen kunnen meerdere lagen van brandbeveiliging tot stand worden gebracht.