Table of Contents

Материальный вызов: почему огонь является важной конструктивной нагрузкой для бетона

Престрессовые стальные сухожилия являются основой современных бетонных конструкций длительного пролета, от парковочных гаражей и мостов до высотных напольных плит и ядерных контейнеров. Эти высокопрочные стальные элементы натянуты для размещения бетона в сжатии, что позволяет создавать стройные, эффективные конструкции. Однако очень металлургические свойства, которые делают престрессовую сталь настолько мощной, также делают ее уникально уязвимой для огня. В отличие от обычной армирующей стали, которая может выдерживать значительное тепло перед выходом, предстрессовые сухожилия подвергаются быстрой и необратимой потере прочности на разрыв и модуля эластичности при воздействии повышенных температур. По этой причине конструкция пожарной безопасности для предварительного натяжения сухожилий не является вторичным соображением; это фундаментальный корпус нагрузки, который диктует геометрию члена, требования к крышке и выбор защитных систем.

Комплексная стратегия противопожарной защиты для предварительно напряженного бетона должна охватывать весь путь нагрузки, от самого сухожилия до зон крепления и окружающей бетонной матрицы.Это требует от инженеров выхода за рамки простых предписывающих таблиц и принятия целостного понимания теплопередачи, материаловедения и структурной механики при высоких температурах.

Физика и металлургия престрессирования стали в огне

Престрессовая сталь изготавливается для достижения очень высоких пределов прочности на растяжение, как правило, от 1720 МПа до 1860 МПа. Эта прочность достигается за счет процесса холодного рисования и снятия напряжения, что создает тонко настроенную микроструктуру. При воздействии огня тепловая энергия разрушает эту структуру. При температурах от 150°C до 200°C сталь начинает испытывать расслабление напряжения , постепенную потерю силы на растяжение при постоянном напряжении. Это критическое отличие от мягкой арматуры стали, которая сохраняет свою прочность на выходе до гораздо более высоких температур.

По мере повышения температуры до 400°C скорость ползучести предварительно напряжённой стали значительно ускоряется. Крип, или зависящая от времени деформация под напряжением, вызывает удлинение сухожилия постоянно, непосредственно снижая эффективную преднапряжённую силу. При 600°C типичная преднапряжённая нить потеряет более 80% своей прочности на растяжение при комнатной температуре. Для структуры, опирающейся на эту силу сжатия для стабильности, последствия могут быть катастрофическими. Свойство, которое делает сталь желательным для строительства, включает в себя высокое содержание углерода и высоко ориентированную структуру зерна. Хотя это даёт исключительную прочность в условиях окружающей среды, оно по своей природе более чувствительно к дислоцирующим эффектам тепловой энергии, чем армирующая сталь с более низкой прочностью.

Температурные кривые и передача тепла

Проектирование пожарной безопасности требует четкого определения воздействия пожара. Наиболее распространенным стандартом для строительства зданий является стандартная кривая пожара ISO 834, которая имитирует полностью разработанный целлюлозный огонь. Эта кривая быстро нарастает, достигая 600°C в течение пяти минут и более 1000°C в течение одного часа. Для инфраструктурных проектов, таких как туннели или нефтехимические объекты, часто используется углеводородная кривая , которая представляет собой более быстрое и экстремальное повышение температуры. Анализ теплопередачи, с использованием методов, таких как моделирование конечных элементов или упрощенные методы расчета, описанные в Еврокоде 2 Часть 1-2, используется для прогнозирования распределения температуры внутри бетонного элемента и на глубине сухожилия.

Теплопроводность бетона относительно низкая, что обеспечивает присущую ему защиту. Однако глубина бетонного покрытия является единственной наиболее важной геометрической переменной в защите сухожилий. Увеличение крышки на 25 мм может удвоить время, необходимое сухожилию для достижения критической температуры. Инженеры должны использовать проверенные модели теплопередачи, чтобы убедиться, что указанная крышка достаточна для поддержания температуры сухожилия ниже критических пределов для требуемого периода огнестойкости, такого как 60, 90 или 120 минут.

Дополнительная угроза бетонного растекания

Даже при достаточном покрытии явление, известное как взрывчатое разбрызгивание, может сделать пассивную защиту бесполезной. В пожаре водяной пар, захваченный в бетонных порах, создает огромное внутреннее давление. Когда растягивающее напряжение от этого давления превышает прочность на растяжение бетона, кусочки крышки взрываются с поверхности. В высокопроизводительном бетоне с низкой проницаемостью этот риск существенно повышен. Если происходит разбрызгивание, сухожилие подвергается непосредственно пламени, устраняя тепловой барьер, обеспечиваемый крышкой. Стратегии смягчения для разбрызгивания включают добавление полипропиленовых микроволокон к бетонной смеси, которая плавится при температуре около 160°C, создавая каналы для разрыхления паров. Дизайнеры должны оценить риск разбрызгивания на основе конструкции бетонной смеси, содержания влаги и сценария пожара и соответственно включить меры по смягчению разбрызгивания.

Основные стратегии пассивной противопожарной защиты для усиления тендонов

Пассивная противопожарная защита (ПФП) является первой линией защиты структурных сухожилий. Эти системы предназначены для сдерживания или замедления распространения огня и поддержания структурной целостности здания. Для предварительно напряжённого бетона ПФП можно классифицировать в бетонное покрытие, наносимые покрытия и системы ограждения.

Жертвенно-конкретное покрытие

Простейшим и наиболее экономически эффективным методом защиты престрессовых сухожилий является обеспечение достаточной толщины бетонного покрытия. Бетон действует как тепловая губка, замедляя скорость теплопередачи стали. Строительные коды и стандарты, такие как ACI 216.1 и Еврокод 2, предоставляют таблицы, связывающие требуемую толщину крышки с периодами огнестойкости. Для 2-часового рейтинга пожара обычно требуется покрытие от 40 мм до 60 мм для предварительно нагнетаемых плит. Карбонатные агрегаты (такие как известняк) и Легкие агрегаты обеспечивают лучшую огнестойкость, чем кремниевые агрегаты (такие как гранит или кварц) из-за их более низкой теплопроводности и более высокой теплоемкости. Дизайнеры должны указать тип агрегата на чертежах и обеспечить поддержание покрытия во время строительства.

Противопожарные материалы, применяемые спреем (SFRMs)

Когда требуемое покрытие не может быть достигнуто из-за ограничений конструкции, или когда необходима дополнительная защита для существующих конструкций, часто применяются SFRM. Эти цементные, гипсовые или вермикулитовые материалы распыляются непосредственно на бетонную поверхность. Они обеспечивают толстый, изоляционный слой, который задерживает проникновение тепла. SFRM являются экономически эффективными и могут применяться к сложным геометриям. Наиболее распространенным материалом является цементная штукатурка, которая механически связана с поверхностью. Для парковочных гаражей и промышленных зданий это стандартное решение. Ключевым соображением является прочность клейкой и клейкой связи SFRM, поскольку она должна оставаться на месте в условиях пожара и механической вибрации.

Интумсентное и реактивное покрытие

Для архитектурно облицованного бетона или участков, где требуется тонкий, готовый вид, предпочтительным решением являются интумсцентные покрытия. Эти покрытия наносятся в виде тонких пленок (обычно 1-3 мм для 2-часового рейтинга на бетоне), но расширяются под воздействием тепла, образуя толстый, низкоплотный уголь. Этот обугливающий материал изолирует подложку. Хотя интумсент более распространен для конструкционной стали, он очень эффективен для защиты открытых креплений сухожилий и внешнего оборудования после натяжения. Они предлагают отличную косметическую отделку и доступны в диапазоне цветов. Однако они требуют чистого подложки и строгих условий применения в отношении температуры и влажности.

Примечание по применению и техническому обслуживанию: Все покрытия должны регулярно проверяться. Объемные покрытия могут ухудшаться при ультрафиолетовом свете и влажности. Квалифицированный подрядчик по противопожарной защите должен проводить проверки в соответствии со спецификациями производителя, часто каждые 1-5 лет, в зависимости от воздействия окружающей среды.

Системы щитов и клейм для внешних тендонов

Для наружных сухожилий после натяжения, таких как те, которые используются в мостах или крышах стадионов, сухожилия расположены за пределами бетонного поперечного сечения. В этих случаях они защищены системами с огневой насадкой или керамических волоконных одеял . Кальциевые силикатные доски обычно используются для создания жесткого ящика вокруг сухожилия. Эти доски негорючи, имеют низкую теплопроводность и способны выдерживать температуры значительно выше 1000 °C. Для изогнутых сухожилий керамические волоконные одеяла могут быть обернуты вокруг сухожилия и закреплены лентой из нержавеющей стали. Эти системы предназначены для поддержания температуры сухожилия ниже 250°C или 300°C в течение требуемой продолжительности.

Системный дизайн Fire Robustness

Защиты среднего пролета сухожилия недостаточно.Огнебезопасной конструкцией должна быть учтена вся конструктивная система, включая соединения, непрерывность и пути нагрузки.

Обеспечение структурного увольнения

В случае пожара разумно ожидать, что некоторые сухожилия будут испытывать снижение прочности. Прочная структура обеспечивает альтернативные пути нагрузки , так что если одно сухожилие или один луч теряет емкость, нагрузка может быть перераспределена, не вызывая прогрессирующего коллапса. Это часто включает в себя проектирование мембранного действия в плитах или обеспечение усиления непрерывности по опорам. В сейсмических регионах требования к пластичности для сейсмических нагрузок могут по своей сути улучшить огнестойкость, но это должно быть явно проверено. Структурная система должна быть в состоянии пережить локализованный отказ сухожилия на определенную продолжительность, что позволяет эвакуировать пассажиров и доступ пожарных.

Уязвимость и защита якорной зоны

Зона крепления является наиболее чувствительной частью предварительно напряжённого элемента. Якорная головка и клинья часто представляют собой стальные отливки с высокой концентрацией напряжений. Они имеют очень мало бетонного покрытия по сравнению с сухожилием среднего пролёта. Кроме того, разрывное усиление в зоне крепления может быть плотным, приводя к потенциальным бетонным пустотам. При пожаре отказ крепления немедленно устраняет престрессовое усилие в этом сухожилии. Зоны якоря должны быть индивидуально защищены. Общие методы включают в себя включение крепления в бетонное блокирование с дополнительным усилением или нанесение толстого интумсирующего или цементного покрытия непосредственно на головку якоря. Некоторые запатентованные системы после натяжения предлагают предварительно спроектированные крепления с огневым рейтингом.

Поведение несвязанного с привязанным тендоном в огне

На поведение сухожилия в огне сильно влияет то, связано оно или нет. В связанной системе сухожилие затирается внутри протока. Затирка обеспечивает некоторую тепловую защиту и, если сухожилие теряет связь, бетон все же обеспечивает некоторую сдержанность. В несвязанной системе сухожилие свободно скользит внутри смазанной или восковой оболочки. В пожаре несвязанное сухожилие значительно удлиняется. В огне это удлинение может вызвать большие отклонения в плите, не вызывая напряжения растяжения в бетоне. Хотя эта пластичность может быть полезна для предотвращения хрупкого коллапса, это также может привести к структурной нестабильности, если соединения не предназначены для размещения движения. Многие строительные нормы накладывают дополнительные ограничения на несвязанные сухожилия в отношении огненного покрытия и защиты от крепления.

Соблюдение строительных норм и стандартов пожарной инженерии

Правовой основой для проектирования пожарной безопасности является местный строительный кодекс. Большинство кодексов ссылаются на конкретные стандарты определения огнестойкости.

Рецептурные пути: ACI 216.1 и Еврокод 2 Часть 1-2

Предписательный подход включает в себя выбор размеров и покрытия из таблиц, предусмотренных в стандартах, таких как ACI 216.1 / TMS 0216 Кодовые требования для определения огнестойкости бетонных и каменноугольных строительных сборок или Еврокод 2 Часть 1-2. Эти таблицы основаны на обширном тестировании и обеспечивают положения, считающиеся удовлетворительными. Например, предварительно напряжённая полая ядра плита может требовать минимального бетонного покрытия 20 мм для 1-часовой оценки и 40 мм для 2-часовой оценки в зависимости от типа агрегата. Эти правила просты в применении, но могут быть консервативными для некоторых геометрий или недостаточными для других, особенно высокопрочного бетона.

Производительность на основе пожарной инженерии подходы

Для сложных или высокорисковых конструкций часто используется конструкция на основе производительности (PBD). Это включает в себя определение конкретных сценариев пожара (например, локализованный пожар транспортного средства в гараже), выполнение теплопередачи и структурного анализа и демонстрацию того, что структура соответствует критериям принятия. PBD позволяет инженерам оптимизировать проект, снизить дорогостоящую чрезмерную защиту и оценить реалистичные сценарии пожара, а не стандартные испытания печи. Инженерное руководство по огнезащите на основе эффективности SFPE обеспечивает основу для этого процесса. PBD имеет важное значение для структур, где не применяются предписывающие правила, такие как мосты, растягивающие конструкции или здания с большими открытыми пролетами.

Критерии приемлемости для испытания огнестойкости

Критерии приемлемости обычно включают структурную адекватность (способность поддерживать проектную нагрузку), температурную передачу (ограничение повышения температуры на необнаженной поверхности для предотвращения воспламенения) и целостность (отсутствие трещин или отверстий, которые позволяют проходить горячим газам). Для предварительно напряженных элементов ограничения скорости отклонения и отклонения часто более строгие, чем для обычного железобетона, из-за хрупкой природы стали при высоких температурах. Стандартные огневые испытания, такие как ASTM E119, обеспечивают эталон для этих критериев приемлемости.

Долгосрочные эксплуатационные характеристики и техническое обслуживание систем противопожарной защиты

Система противопожарной защиты эффективна только в том случае, если она остается на месте и выполняет свои функции в течение срока службы.

Инспекция защитных систем

Покрытия и корпуса с огневой маркировкой подвержены повреждениям от удара, влажности, коррозии и вандализма. Регулярные проверки должны включать проверку толщины бетонного покрытия с помощью трафаретных счетчиков, проверку СФРМ на предмет размола и системы досок на наличие зазоров или вывиха. В парковочных конструкциях воздействие обледеняющих солей может ухудшить как бетон, так и покрытие. На этапе проектирования должен быть установлен план технического обслуживания, в котором должны быть указаны интервалы осмотра и методы ремонта.

Ремонт и модернизация огнеупорных тендонов

После пожара предстрессовые конструкции могут казаться звуковыми, но потеряли значительную предстрессовую силу. Неразрушающие методы оценки (NDE), такие как акустический мониторинг и инфракрасная термография, могут помочь найти поврежденные сухожилия. Однако оценка остаточной предстрессовой силы является сложной задачей. Ремонт часто включает в себя вырезание поврежденных сухожилий и замену их новыми внешними сухожилиями или установку дополнительного подкрепления. Это специализированная операция, требующая инженера-строителя, опытного в постнапряженном ремонте. Система противопожарной защиты должна быть восстановлена до первоначального рейтинга после завершения ремонта.

Заключение

Проектирование пожарной безопасности в конструкциях с использованием престрессовых стальных сухожилий требует дисциплинированного подхода к выбору материалов, анализу теплопередачи, структурному проектированию и обеспечению качества. Уязвимость высокопрочной стали к повышенным температурам требует, чтобы инженеры уделяли приоритетное внимание бетонному покрытию, оценивали риски разбрызгивания и определяли соответствующие пассивные системы противопожарной защиты для сухожилий и креплений. Интегрируя пожарную безопасность в первоначальный проект конструкции и придерживаясь строгих протоколов инспекции и обслуживания, инженеры могут поставлять безопасные, устойчивые конструкции, которые защищают жизни и имущество даже в сложных условиях реального пожара.