Защита зданий и сооружения от пожара

Пассивная защита от пожара зданий сооружений

Особое внимание к вопросам пожарной безопасности обусловлено непредсказуемостью возникновения и развития пожаров. Возгорание может привести не только к нанесению материального ущерба, но и реально угрожать жизни людей

Значение противопожарной профилактики возрастает из года в год

В основе пассивной защиты лежит использование уже на этапе проектирования и возведения здания широкого спектра мер противопожарной безопасности, целью которых является защита людей от огня в случае его возникновения и локализация возгорания

70 до 80% от общего числа пожаров, происходящих ежегодно в Российской Федерации приходится на жилой сектор

Основное количество пожаров в жилье происходит по так называемым непрофилактируемым причинам, т. е. по вине людей, находящихся в состоянии ограниченной дееспособности (состояние опьянения, психические заболевания, возрастная немощь, детская шалость и т. д.).

В жилых домах гибнет около 90% от общего количества погибших при пожаре по стране. Главные причины гибели людей при пожарах - действие продуктов горения (до 76% от общего числа погибших) и высокая температура (до 19% от общего числа погибших).

К числу объективных причин относится высокая степень изношенности жилого фонда, причем здесь речь идет и о конструкциях зданий, и об их инженерном обеспечении; отсутствие экономических возможностей поддержания противопожарного состояния зданий, низкая обеспеченность жилых зданий средствами обнаружения и оповещения о пожаре, а также современными первичными средствами пожаротушения.

Наличие в квартирах и жилых домах легковоспламеняющихся предметов, синтетических изделий и разнообразной бытовой техники, с одной стороны, увеличивает потенциальную возможность возникновения пожаров, а с другой стороны, делает даже самый незначительный пожар опасным для жизни и здоровья людей из-за выделения ядовитых газов при горении синтетических материалов.

Другими источниками пожарной опасности являются: подвалы, чердаки, санитарно-кухонные узлы.

Наименее опасны в пожарном отношении малоэтажные здания из несгораемых материалов (кирпича, железобетона), наибольшую же опасность представляют здания из деревянных конструкций. Кроме того, большую опасность представляет применение сгораемых теплозвукоизоляционных материалов (опилок, листьев, торфа и т. п.), в особенности полимерных (пенополистирола, пенополиуретана и др.).

Большинство малоэтажных жилых домов имеют печное отопление. По статистическим данным, примерно каждый десятый пожар в жилом доме и надворных постройках происходит от неисправности печей и дымоходов, их неправильного устройства или эксплуатации.

Многоэтажные дома, как правило, основной вид жилья в крупных населенных пунктах. Особенностью, усугубляющей пожарную опасность жилых зданий, является наличие встроенных в них помещений иного назначения: учреждений торговли, связи, коммунально-бытового назначения, общественного питания и др. При возникновении пожара во встроенном помещении возникает угроза для жизни людей, живущих на верхних этажах.

В зданиях высотой более пяти этажей есть мусоропроводы и лифты, которые также могут представлять опасность с точки зрения возможного задымления.

Пожары в многоэтажных жилых зданиях могут распространяться по кабельным коммуникациям, если проемы в местах прохождения труб не заделаны строительным раствором или бетоном.

Для зданий повышенной этажности характерны быстрое развитие пожара по вертикали и большая сложность спасательных работ. Продукты горения движутся в сторону лестничных клеток и шахт лифтов. Скорость их распространения по вертикали может превышать 10 и более метров в минуту. В течение нескольких минут здание полностью задымляется, и находиться в помещениях без средств защиты органов дыхания невозможно. Наиболее интенсивно происходит задымление верхних этажей, особенно с подветренной стороны.

От высокой температуры управление лифтами выходит из строя, и кабины блокируются в шахтах. Быстро установить место нахождения лифта при отключенном электропитании не представляется возможным и люди, находящиеся в нем, погибают. При пожаре на верхних этажах очень сложно производить разведку пожара, спасение людей и подачу средств тушения.

Вся противопожарная защита здания делится на пассивную (перегородки, стены, двери в ТЦ) и активную, с применением систем автоматики (сигнализация, оповещение, тушение и т.д.). СНиПы и МГСН касаются пассивной безопасности здания, а требования к активной безопасности установлены в НПБ по проектированию и установке сигнализации, автоматического пожаротушения и т.д. Кроме того, требования к пожарной безопасности содержатся в СНиПах по отоплению, вентиляции, кондиционированию и в ПУЭ (Правила устройства электроустановок). Все это дополняется огромным количеством ГОСТов, которые регламентируют требования к отдельным частям системы противопожарной защиты. Полный перечень документов, где содержатся все существующие требования к противопожарной безопасности торгового центра, включает в себя порядка трех десятков нормативных документов.

В строительных конструкциях зданий и сооружений применяются материалы, различные по происхождению и классу пожарной опасности. Структурные элементы из железобетона, бетона и кирпича имеют повышенную сопротивляемость открытому пламени и могут не разрушаться при его воздействии в течение десятков минут, а иногда даже нескольких часов. Стальные конструкции не горят и не способствуют распространению пожара, но при 10-15-минутном огневом воздействии теряют несущую способность.

Несколько дольше при горении продолжают сохранять несущую способность массивные деревянные конструкции, однако они способствуют распространению и развитию огня.

Глубокий анализ и изучение пожароопасных свойств строительных материалов, оценка "поведения" конструкций при пожаре, проведение расчета прочности и устойчивости зданий при огневом воздействии - все это позволяет разработать и предложить потребителям высокоэффективные способы огнезащиты конструктивных элементов.

Создаваемые по результатам анализа конкретные технические и организационные меры по обеспечению пожарной безопасности позволяют совершенствовать защищенность зданий и сооружений в целом.

Огнезащита конструкций является составной частью общей системы мероприятий по обеспечению пожарной безопасности и огнестойкости зданий и сооружений и направлена на снижение пожарной опасности конструкций. Основные задачи огнезащиты включают в себя:

• предупреждение возгорания;

• прекращение развития пожара на начальной стадии;

• создание "пассивной" локализации пожара;

• ослабление опасных факторов пожара;

• расширение возможности применения новых прогрессивных проектных решений.

Огнезащита предназначена для повышения фактического предела огнестойкости конструкций до требуемых значений и ограничения предела распространения огня по конструкциям и кабельным линиям, а также для снижения горючести материалов; при этом обращается внимание на сокращение так называемых побочных эффектов (дымообразования, выделения газообразных токсичных веществ).

Огнезащита стальных несущих конструкций

Сталь является негорючим материалом, но, как и все материалы, используемые в строительстве, не может в течение длительного времени выдерживать воздействие высоких температур, возникающих внутри здания при пожаре. При температуре до 250 °С прочность мягкой малоуглеродистой стали увеличивается, затем этот предел постепенно снижается, и при 400 °С прочность стали вновь принимает свое первоначальное значение. Критическая температура, при которой происходит потеря несущей способности стальных конструкций при нормативной нагрузке, принимается равной 500 °С.

Нагрев металлических сооружений в условиях пожара зависит от множества факторов, среди которых основными являются интенсивность огня и способы теплозащиты металлоконструкций.

Конструкции без огнезащиты деформируются и разрушаются под воздействием напряжений от внешних нагрузок и температуры. Огнезащита, блокируя тепловой поток от огня к поверхности конструкций, предохраняет ее от быстрого прогревания и позволяет сохранить несущую способность в течение заданного времени.

Металлы отличаются высокой теплопроводностью, поэтому их огнезащита заключается в создании на поверхности металлических элементов конструкций теплоизолирующих экранов, выдерживающих воздействие огня или высоких температур.

Наличие теплоизолирующих экранов позволяет конструкциям при пожаре замедлить прогревание металла и сохранить свои функции в течение определенного времени, то есть до наступления критической температуры, при которой начинается потеря несущей способности.

Можно выделить следующие способы огнезащиты стальных конструкций:

• облицовка конструкций огнезащиты плитными материалами или установка огнезащитных экранов на относе (конструктивный способ);

• нанесение непосредственно на поверхность конструкций огнезащитных покрытий (обмазка, окраска, напыление и т.д.);

• комбинированный (композиционный) способ, представляющий собой рациональное сочетание различных способов огнезащиты.

Предельное состояние по огнестойкости строительных конструкций характеризуется:

• потерей несущей способности в результате обрушения или достижения предельных деформаций (R);

• потерей целостности в результате образования в конструкции сквозных трещин или отверстий, через которые на необогреваемую поверхность проникают продукты горения или пламя (Е);

• потерей теплоизолирующей способности вследствие повышения температуры на необогреваемой поверхности конструкции более чем на 140 °С (I).

Согласно п. 8.2 ГОСТ 30247.0-94 "Конструкции строительные. Методы испытания на огнестойкость", в зависимости от вида конструкций и их роли в устойчивости зданий и сооружений для нормирования пределов огнестойкости несущих и ограждающих конструкций, применяются следующие предельные состояния:

• для колонн, балок, ферм, арок и рам - только потеря несущей способности конструкции и узлов (R);

• для наружных несущих стен и покрытий - потеря несущей способности и целостности (R, E);

• для наружных ненесущих стен - только потеря целостности (Е);

• для ненесущих внутренних стен и перегородок - потеря теплоизолирующей способности и целостности (Е, I);

• для несущих внутренних стен и противопожарных преград - потеря несущей способности, целостности и теплоизолирующей способности (R, Е, I).

Фактический предел огнестойкости стальных конструкций (см. табл. 1) при так называемом стандартном пожаре в зависимости от толщины элементов и величины действующих напряжений равен 6-15 минутам. Значение требуемых пределов огнестойкости основных строительных конструкций, в том числе металлических, составляет от 15 минут до 4 часов в зависимости от степени огнестойкости здания и типа конструкций. Однако большинство незащищенных стальных конструкций может удовлетворять минимальным требованиям по пределу огнестойкости лишь до 15 минут. Это позволяет сделать вывод о том, что область применения металлических конструкций ограничена по огнестойкости, так как не обеспечивается выполнение следующего условия безопасности:

Пф / Птр

где Пф - фактический предел огнестойкости конструкций;

Птр - требуемый (нормативный) предел огнестойкости.

Это условие безопасности является основным критерием обоснования необходимости огнезащиты металлических конструкций, то есть если значение показателя Пф больше или равно значению Птр, то огнезащита не требуется, а при Пф меньше Птр огнезащита обязательна.

Необходимые пределы огнестойкости строительных конструкций определяются исходя из требуемой степени огнестойкости зданий (сооружений) по таблице 4* СНиП 21-01-97".

Фактические пределы огнестойкости строительных конструкций можно установить двумя способами: огневыми испытаниями (REI) и расчетным методом (RI).

В соответствии с методикой расчета, изложенной в"Пособии по определению пределов огнестойкости, пределов распространения огня по конструкциям и групп возгораемости материалов" (ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко Госстроя СССР, Москва, 1985 г.), следует считать, что металлические конструкции не распространяют огонь (предел распространения огня здесь нужно приравнивать к нулю).

Предел огнестойкости несущих металлоконструкций зависит от приведенной толщины металла (6пр, мм) и собственного предела огнестойкости. Приведенная толщина металла вычисляется по формуле:

Тпр = F/P,

где F - площадь сечения (мм2), значение которой для проката фасонной стали берется по сортаменту (ГОСТу), а для составных (сварных) сечений определяется из расчета суммы площадей составляющих элементов конструкций;

Р - периметр обогреваемой поверхности конструкции (мм).

Обогреваемый периметр металлоконструкций определяется без учета поверхностей, примыкающих к плитам, настилам перекрытий и стенам при условии, что предел огнестойкости этих конструкций не ниже предела огнестойкости обогреваемой конструкции.

Для ферм и других статически определимых конструкций, состоящих из элементов различного сечения, приведенная толщина металла определяется по наименьшему значению для всех нагруженных элементов. При установлении предела огнестойкости стальных конструкций с огнезащитой по IV предельному состоянию (для конструкций, защищенных огнезащитными покрытиями и испытываемых без нагрузок, предельным состоянием будет достижение критической температуры материала конструкции) в качестве критической температуры следует принимать параметр 500 °С (Пособие по определению пределов огнестойкости, пределов распространения огня по конструкциям и групп возгораемости материалов, п. 2.34).

Продлить время сохранения свойств металлов в условиях пожара (когда это необходимо и экономически оправдано) можно, используя следующие способы:

• выбор изделий из металлов, более стойких к воздействию пожара. Здесь преимущество отдается сталям (вместо алюминиевых сплавов), причем низколегированным, а не углеродистым. При выборе арматурных изделий следует предпочесть арматуру, не упрочненную наклепом и термообработкой;

• изготовление специальных металлических изделий, более стойких к нагреву;

• огнезащита металлоизделий (конструкций) посредством нанесения внешних теплоизоляционных слоев.

Огнезащита металлоконструкций путем обетонирования по армирующей стальной сетке, оштукатуривания или облицовки негорючими листовыми материалами значительно утяжеляет конструкции и является весьма трудоемкой, что делает ее в ряде случаев неприемлемой. В настоящее время все большее распространение получают новые менее трудоемкие методы с использованием огнезащитных составов, незначительно утяжеляющих конструкции. Наиболее технологичным является нанесение на поверхность объекта тонкослойных вспучивающихся огнезащитных составов (красок). Их огнезащитные свойства проявляются за счет увеличения толщины слоя и изменения теплофизических характеристик при тепловом воздействии в условиях пожара.

Вспучивающиеся огнезащитные краски (покрытия) представляют собой композиционные материалы, имеющие в своем составе полимерное вяжущее и наполнители (антипирены, газообразователи, жаростойкие вещества и стабилизаторы вспененного угольного слоя). При нагревании они разлагаются вокруг защищаемой конструкции с поглощением тепла, происходит выделение инертных газов и паров, которые замещают атмосферный кислород и блокируют конвективный перенос тепла к защищаемой поверхности, подавляя пламя вблизи слоя покрытия, уменьшают радиационный поток тепла и замедляют процесс горения. Вспучивающиеся покрытия содержат компоненты, которые являются источником образования вспененного угольного слоя, покрывающего поверхность конструкции. Этот слой постепенно закоксовывается, становится жестким.

Вспененный слой, отличаясь низкой теплопроводностью, выполняет функцию теплозащитного экрана, который замедляет распространение тепла по конструкции и ее прогрев, в результате чего обработанный объект значительно позже попадает в область критической температуры.

Сегодня на территории Российской Федерации для обеспечения огнезащиты строительных конструкций используется широкий спектр средств огнезащитных материалов (штукатурные составы, вспучивающиеся краски, обмазки, минераловатные плиты (маты), сухие штукатурки), имеющие различную огнезащитную эффективность и соответственно достоинства и недостатки.

Для существующих огнезащитных составов, красок и мастик, сертифицированных в соответствии с методикой, описанной в НПБ 236-97 "Огнезащитные составы для стальных конструкций. Общие требования. Метод определения огнезащитной эффективности", определена лишь группа их огнезащитной эффективности.

Огнезащита конструкций из древесины и материалов на ее основе.

Строительные конструкции из древесины считаются в отечественной строительной отрасли традиционным материалом в связи с большим запасом его на территории нашей страны. Практика их применения показала, что в зданиях с агрессивной средой эти конструкции служат в 4-5 раз дольше, чем железобетонные. При этом расход металла снижается в 2-3 раза, а трудоемкость работ и сроки строительства в 1,5 раза.

Большой размах строительства в последние годы потребовал перехода к индустриальным методам изготовления деревянных конструкций. Развитие химической промышленности способствовало разработке синтетических водонерастворимых клеев, позволивших изготавливать деревянные клеёные конструкции (ДКК). ДДК промышленного производства по сравнению с объектами из цельной древесины имеют следующие преимущества:

• варьирование качества досок (по сортам) при формировании клеёного пакета;

• снижение влияния пороков на прочность и деформативность древесины при изготовлении клеёных конструкций;

• возможность создания элементов конструкций различных размеров сечения и длины;

• большая несущая способность в условиях пожара за счет мощных сечений.

Применение деревянных конструкций представляется наиболее выгодным решением в тех случаях, когда наиболее важны такие качества древесины, как стойкость к агрессивной среде, малая объемная масса и возможность обеспечения высокой механизации работ по обработке данного материала.

Однако объем применения описываемых конструкций в настоящее время явно не соответствует потребностям и потенциальным возможностям строительства. Анализ состояния указанной проблемы позволяет отметить, что в значительной степени это обусловлено недостаточным исследованием достоинств и изъянов конструкций из древесины и материалов на ее основе, влияния современных средств огнезащиты на показатели пожарной опасности конструкций, а также предела их огнестойкости.

В действующих нормативных документах, регламентирующих вопросы обеспечения пожарной безопасности для строительных конструкций из древесины, отсутствует основополагающий критерий пожарной опасности -предел огнестойкости. Тем самым применение данных конструкций в несущих элементах зданий и сооружений, обеспечивающих их устойчивость и геометрическую неизменяемость при возгорании, противоречит требованиям п. 5.19*табл.4СНиП 21-01-97** "Пожарная безопасность зданий и сооружений". С целью расширения области применения деревянных конструкций необходимо провести сертификационные испытания всех типовых конструкций, запроектированных с учетом нагрузки в соответствии с методикой, изложенной в ГОСТ 30247.0.

Теплофизические и механические свойства древесины в значительной мере зависят от породы дерева, объемной массы, влажности, возраста древесины, а также направления действия нагрузки - вдоль или поперек волокон.

Причиной обрушения деревянных элементов сооружений во время пожара является обугливание части сечения. Всю действующую нагрузку принимает на себя не обугленная часть сечения; постепенное сокращение площади сечения ведет к снижению его несущей способности.

Предел огнестойкости конструкций из древесины определяется временем, за которое несущая способность сечения уменьшается в результате обугливания и прогрева до величины действующей нагрузки. На скорость обугливания древесины оказывают влияние ее плотность, влажность, условия притока воздуха и температурный режим огневого воздействия.

Для элементов с минимальным размером сечения более 120 мм2, изготовленных из воздушно-сухой цельной древесины хвойных пород с влажностью не более 9%, скорость обугливания принимается равной 0,8 мм/мин, а для элементов из клеёной древесины - 0,6 мм/мин. Для конструкций сечением менее 120 мм2 скорость обугливания для цельной древесины равна -1 мм/мин, а для клеёной - 0,7 мм/мин.

Предел огнестойкости (П) деревянной конструкции определяется временем от начала теплового воздействия до воспламенения древесины (Т1) и потери несущей способности расчетного элемента (Т2), то есть:

П = Т1 + Т2,

где Т2 находится по предельно допустимому уменьшению размеров сторон поперечного сечения д элемента: Т2 = ?/V, где V -скорость обугливания древесины. Глубина обугливания древесины не должна превышать значение которое вычисляется из условия наступления предельного состояния конструкции по огнестойкости - потери несущей способности.

Если в расчетном сечении имеются закладные металлические части, то предел огнестойкости объекта снижается на 25%. Предел огнестойкости металлодеревянных конструкций определяют как по огнестойкости деревянных элементов, так и по огнестойкости несущих металлических элементов.

Применение в постройках деревянных материалов увеличивает пожарную нагрузку в здании, а распространение огня по их поверхности способствует увеличению очага пожара, что затрудняет организацию его тушения и эвакуацию людей. Пожарная опасность сооружений увеличивается в результате того, что в пространстве междуэтажных перекрытий прокладываются инженерные коммуникации. Снижения пожарной опасности рассматриваемых конструкций можно достичь путем пропитки их антипиренами в автоклавах, огнезащитной обработки пропиточными и окрасочными составами, а также путем применения конструктивной огнезащиты.

Глубокая пропитка древесины антипиренами в автоклавах переводит ее в группу трудногорючих материалов. Однако применять подобную защиту можно только в отношении элементов конструкций, выполненных из цельной древесины. При изготовлении клеёной конструкции доски, подверженные глубокой пропитке в автоклавах, трудно склеиваются, поэтому клеёные элементы целесообразно обрабатывать окрасочными составами или составами для поверхностной пропитки. Поведение клеевых соединений в условиях пожара определяется термостойкостью клеев.

В деревоклеёных конструкциях наиболее пожароопасными считаются узлы крепления элементов, разрушение которых снижает устойчивость и огнестойкость всей конструкции. Открытые стальные узлы крепления (башмаки, накладки) должны быть обработаны огнезащитной краской, эффективность которой определяет несущую способность конструкций в условиях пожара.

Для квалифицированного прогнозирования и регулирования поведения древесины при возникновении возгорания необходимо изучить негативные процессы, которые в ней при этом происходят, а также последствия, к которым они приводят.