Огнезащита металлоконструкций и предел огнестойкости

Почему сталь — уязвимый материал в условиях пожара

Сталь ошибочно считают негорючим и потому безопасным конструктивным материалом. Это верно лишь в том смысле, что сама по себе она не воспламеняется. Но при нагреве в зоне пожара стальные конструкции теряют несущую способность очень быстро — значительно быстрее, чем, например, железобетонные или деревянные конструкции определённых сечений, защищённые штукатуркой.

Физика процесса такова: с ростом температуры металл размягчается, его расчётное сопротивление падает. При температуре около 500–600 °C потеря прочности по отношению к исходному значению достигает 50–70 %. При 700 °C и выше сталь фактически переходит в пластическое состояние и теряет способность воспринимать проектные нагрузки. В условиях стандартного пожарного режима такие температуры в незащищённых элементах достигаются в течение первых 10–20 минут — гораздо раньше, чем здание может быть эвакуировано и локализован очаг.

Именно поэтому нормы пожарной безопасности устанавливают для несущих стальных конструкций обязательный минимальный предел огнестойкости, который в большинстве зданий повышенной ответственности составляет R45 или R60. Без огнезащиты незащищённый двутавр или колонна из горячекатаного профиля обеспечивают лишь R8–R15 в зависимости от сечения.

Предел огнестойкости: что означают классы R15–R120

Предел огнестойкости конструкции — это время в минутах от начала огневого испытания (или с начала пожара в расчётном сценарии) до момента, когда конструкция достигает одного из нормируемых предельных состояний. Для несущих стальных конструкций основное предельное состояние — потеря несущей способности (обозначается символом R). Именно поэтому пределы огнестойкости для колонн, балок и ферм записываются как R15, R30, R45, R60, R90, R120 и выше.

Число после буквы R означает число минут. Например, R60 — конструкция должна сохранять несущую способность в течение не менее 60 минут при стандартном температурном режиме пожара. Требуемый предел огнестойкости конкретного элемента задаётся проектом и определяется степенью огнестойкости здания, которая в свою очередь зависит от его высоты, площади пожарного отсека, класса конструктивной пожарной опасности и функционального назначения. Нормативная база в этой части — действующие своды правил по обеспечению огнестойкости объектов защиты и требованиям пожарной безопасности.

Помимо R в обозначении могут встречаться символы E (потеря целостности) и I (потеря теплоизолирующей способности) — они актуальны для ограждающих конструкций (стен, перегородок, перекрытий). Для колонн и ферм нормируется только R. Важно не путать предел огнестойкости конструкции с пожарно-технической классификацией материала — это разные характеристики.

Приведённая толщина металла: ключевой параметр для расчёта огнезащиты

Скорость нагрева стального элемента определяется соотношением его объёма (который аккумулирует тепло) к площади поверхности (через которую тепло поступает). Этот параметр называется приведённой толщиной металла и вычисляется как отношение площади поперечного сечения конструктивного элемента к его обогреваемому периметру. Размерность — миллиметры.

Чем меньше приведённая толщина, тем быстрее элемент нагревается и тем скорее достигается критическая температура. Тонкостенные профили, небольшие уголки и гнутые элементы с малым сечением имеют низкую приведённую толщину и требуют более толстого слоя огнезащиты для достижения того же предела R, чем массивные горячекатаные двутавры. Это объясняет, почему таблицы толщин огнезащитных составов составляются именно в зависимости от приведённой толщины металла и требуемого R-предела.

На практике приведённую толщину считают по сечению из спецификации металла КМД: берут площадь сечения из сортамента и делят на обогреваемый периметр — с учётом того, примыкает ли профиль к плите перекрытия или защищён с трёх сторон. Правильный учёт обогреваемого периметра критически важен: завышение периметра приводит к недооценке приведённой толщины и, как следствие, к недостаточному слою огнезащиты.

Тонкослойные вспучивающиеся составы (огнезащитные краски)

Наиболее распространённый в современном строительстве вид огнезащиты — тонкослойные вспучивающиеся (интумесцентные) составы. В нормальных условиях они выглядят как обычная краска и наносятся слоями толщиной от долей миллиметра до нескольких миллиметров. При воздействии высоких температур в зоне пожара состав вспучивается, увеличиваясь в объёме в десятки раз, и образует пористый теплоизолирующий кокс, замедляющий нагрев металла.

Толщина слоя вспучивающегося состава подбирается по таблицам производителя (прошедшим огневые испытания) в зависимости от приведённой толщины металла и требуемого предела огнестойкости. Для R30 при относительно массивных сечениях толщина сухого слоя может составлять менее миллиметра, тогда как для R60 или R90 при тонкостенных элементах — несколько миллиметров. Важно понимать, что толщина в технических листах указывается в сухом виде — расход жидкого материала при нанесении будет значительно выше.

Достоинства этого метода — сохранение внешнего вида металлических конструкций, относительно небольшая дополнительная масса, возможность нанесения как в заводских условиях, так и на объекте. Ограничения — требования к условиям нанесения (температура, влажность), совместимость с антикоррозийными грунтовками, необходимость периодического технического обслуживания. Внутри сухих отапливаемых помещений вспучивающиеся составы работают надёжно; во влажных или агрессивных средах требуется дополнительная верхняя защита или применение других систем.

Конструктивные методы: штукатурки, маты и облицовка

К конструктивным видам огнезащиты относятся толстослойные огнезащитные штукатурки, базальтовые (минераловатные) маты, огнезащитные плиты и облицовки из огнестойких материалов. Эти решения отличаются большей толщиной, но обеспечивают высокие пределы огнестойкости — от R45 до R240 и выше — и менее чувствительны к условиям эксплуатации, чем тонкослойные краски.

Огнезащитные штукатурки наносятся машинным или ручным способом непосредственно на металл (или на грунтовочный слой) и после затвердевания образуют твёрдое теплоизолирующее покрытие. Они хорошо подходят для колонн и балок в промышленных и складских зданиях, где эстетика второстепенна, но требуются длительные пределы огнестойкости. Базальтовые маты монтируются в виде обмотки с фиксацией на металлических кольцах или проволоке — метод технологичен и хорошо воспроизводим.

Облицовка огнестойкими плитами (гипсокартон специальных типов, силикатные плиты, минераловатные системы) применяется когда конструкция находится в пространстве, закрытом подвесными потолками или перегородками. Такая облицовка выполняет сразу несколько функций: огнезащита, акустика и эстетика. Метод более трудоёмок при монтаже, но не требует дополнительного грунтования металла и не критичен к влажности воздуха в период нанесения.

Как требуемый предел огнестойкости попадает в проект

Требуемый предел огнестойкости несущих конструкций определяется не произвольно, а из нормируемой степени огнестойкости здания. Степень огнестойкости (от I до V по убыванию) назначается в зависимости от этажности, площади пожарного отсека, функционального назначения и класса конструктивной пожарной опасности здания. Для каждой степени огнестойкости действующие своды правил устанавливают минимальные требования к пределам огнестойкости несущих колонн, балок, перекрытий и покрытий.

Как правило, одноэтажные склады и производственные здания категории В или Г с небольшой площадью пожарного отсека могут проектироваться III или даже IV степени огнестойкости, что допускает R15–R30 для несущих конструкций. Многоэтажные здания с большими отсеками и общественные сооружения, как правило, требуют I–II степени огнестойкости с требованиями R60–R120 к несущим элементам каркаса.

Проектировщик определяет требуемый R-предел, фиксирует его в разделе проекта по пожарной безопасности и в чертежах КМ (конструкции металлические), а технология огнезащиты разрабатывается либо в отдельном разделе, либо подрядчиком по огнезащите на основании проектного задания. Самовольное снижение требуемого предела огнестойкости в ходе строительства недопустимо и является нарушением.

Группы огнезащитной эффективности и испытания материалов

Огнезащитные материалы в России классифицируются по группам огнезащитной эффективности согласно действующим нормативам. Группы определяются по результатам стандартных огневых испытаний: образцы металлических элементов с нанесённым составом выдерживаются в условиях стандартного температурного режима пожара, и фиксируется время достижения критической температуры в металле. Чем выше группа эффективности, тем более длительную защиту обеспечивает материал при меньшей толщине.

Производитель огнезащитного состава обязан иметь сертификат с указанием групп эффективности, диапазонов приведённой толщины металла и соответствующих толщин покрытия. При проверке на объекте или технадзоре следует требовать именно этот документ, а не просто сертификат пожарной безопасности: разрыв между номинальной эффективностью материала и реальными условиями применения — распространённая проблема при использовании неправильно подобранных составов.

На объекте толщина нанесённого огнезащитного покрытия контролируется магнитным толщиномером (для составов, нанесённых на стальное основание) или игольчатым толщиномером. Результаты измерений фиксируются в журнале производства работ и в исполнительной документации. Отклонение реальной толщины от проектной в меньшую сторону — прямое нарушение, снижающее фактический предел огнестойкости.

Практические аспекты: типичные ошибки и советы проектировщику

Одна из наиболее частых ошибок — неправильный учёт обогреваемого периметра при вычислении приведённой толщины металла. Если верхний пояс балки примыкает к железобетонной плите перекрытия, эта сторона не обогревается и не включается в периметр. Игнорирование этого снижает расчётную приведённую толщину и завышает требуемый слой огнезащиты — что ведёт к перерасходу материала. Обратная ошибка — включить в расчёт обогреваемого периметра поверхность, которая в реальности примыкает к другому защищённому элементу.

Другая типичная проблема — выбор огнезащитного состава без учёта условий эксплуатации. Вспучивающиеся покрытия водного типа нередко деградируют при постоянном воздействии влаги или конденсата. В неотапливаемых складах, ангарах с перепадами температур и во влажных производственных помещениях необходимо выбирать составы, предназначенные именно для таких условий, либо применять конструктивные методы огнезащиты.

Наконец, часто упускается вопрос совместимости огнезащитного состава с антикоррозийной системой. Большинство вспучивающихся красок требуют нанесения на конкретный тип грунтовки — отступление от этого требования аннулирует гарантии производителя и может снизить фактическую эффективность системы. Специалисты Stalfa при комплектации объектов помогают согласовать полную антикоррозийно-огнезащитную систему ещё на стадии закупки, чтобы избежать несовместимости материалов в поле.

Частые вопросы