Проектиране и защита в случай на пожар Sika® CarboDur® – SikaWrap®
Проектни товари при състояние на пожар
При реални изчисления, определянето на товарите не е проста работа…
При оразмеряване по Гранични състояния (ULS) се извършват проверки при Постоянна или временна товарна комбинация и при Аварийна товарна комбинация.
При оразмеряване по Експлоатационни състояния (SLS) се извършват проверки при Характеристична и квази-перманентна комбинации.
При състояние на пожар се разглежда Аварийната товарна комбинация.
Определянето на проектното натоварване в случай на пожар се извършва съгласно Еврокод 2, Част 1-2: Общи въздействия – Въздействия върху строителни конструкции, изложени на пожар, като съществуват два варианта:
Общо правило, което опростено гласи, че в случай на пожар:
1) Не се взимат под внимание коефициентите на сигурност
2) Под внимание се взима намалена част от променливите натоварвания.
Опростено правило, което гласи, че в случай на пожар можем да използваме натоварването, което използваме при нормалните изчисления по Гранични състояния (ULS), като го намалим с редуциращ фактор (обикн. 0.7).
Конструктивен анализ в случай на пожар
А: Усилен елемент, без осигурена пожарозащита
1) Когато е незащитено, лепилото надвишава максималната си работна температура за няколко минути и ламинатната (CFRP) система губи адхезия с основата.
2) Елементът се загрява постепенно от външната страна по изложената на пожар повърхност.
3) С повишаване на температурата, бетонът и стоманата редуцират своята якост.
4) Ако оставащото сечение не е в състояние да поеме съществуващото натоварване по време на пожар, елементът ще се разруши след XXX минути. Това е неговата пожароустойчивост.
Б: Усилен елемент, с осигурена пожарозащита
1) Когато елементът е защитен, лепилото остава под максималната си работна температура за определен период от време, след което ламинатната система губи адхезия с основата.
2) Елементът се загрява постепенно от външната страна по изложената на пожар повърхност, но поради изолацията загряването му е забавено.
3) С повишаване на температурата, бетонът и стоманата редуцират своята якост.
4) Ако оставащото сечение не е в състояние да поеме съществуващото натоварване по време на пожар, елементът ще се разруши след XXX минути. Това е неговата пожароустойчивост.
Нека разгледаме един пример:
А: Усилен елемент, без осигурена пожарозащита
Съществуващата стоманобетонна плоча с проектно натоварване от 60 kNm е оразмерена за поемане на огъващ момент Мrd’0 = 64.78 kNm.
В последствие, съществуващата плоча се усилва с две ламели Sika CarboDur S512 за проектно натоварване от 90 kNm, т.е. усилената плоча може да поеме огъващ момент Mrd = 91.10 kNm.
При състояние на пожар, съгласно опростения метод, посочeн в ЕВРОКОД 2, проектното натоварване на усилената плоча е 63 kNm (0.7*90 kNm).
При възникване на пожар, при усилен елемент без осигурена пожарозащита, усилващата CFRP система се губи още в началните няколко минути. Въпреки това огъващия момент, който може да поеме сечението (76.10 kNm) е много по-висок от проектното натоварване, поради липсата на коефициенти за сигурност на бетона и стоманата и специфичната товарна комбинация. Постепенно, бетонът и стоманата редуцират своята якост, като на 90-тата минута остатъчната якост вече не е достатъчна за поемане на проектното натоварване.
Б: Усилен елемент, с осигурена пожарозащита със Sikacrete®-213 F
Съществуващата стоманобетонна плоча с проектно натоварване от 60 kNm е оразмерена за поемане на огъващ момент Мrd’0 = 64.78 kNm.
В последствие, съществуващата плоча се усилва с две ламели Sika CarboDur S512 за проектно натоварване от 90 kNm, т.е. усилената плоча може да поеме огъващ момент Mrd = 91.10 kNm.
При състояние на пожар, съгласно опростения метод, посочeн в ЕВРОКОД 2, проектното натоварване на усилената плоча е 63 kNm (0.7*90 kNm).
При възникване на пожар, при усилен елемент с осигурена пожарозащита, усилващата CFRP система е защитена и поради това огъващият момент, който може да поеме сечението е много висок (103.27 kNm). Въпреки защитата със Sikacrete®-213 F, след 60-тата минута (максимум) температурата в лепилото на усилващата система преминава точката на омекване и губим усилващата система, като огъващият момент, който може да поеме оригиналното (неусиленото) сечение е 76.10 kNm. Постепенно, бетонът и стоманата редуцират своята якост, но това става много по-бавно, тъй като като Sikacrete®-213 F защитава бетона и стоманата като дори и след 4 часа (240 минути) стоманобетонното сечение може да поеме огъващ момент от 68.98 kNm, който е напълно достатъчен за поемане на проектното натоварване.
Това е илюстрирано на фигурата по-долу:
Заключение
В случай на пожар:
1) Оразмерителните моменти са намалени в резултат на намалено съчетание на натоварванията, съгласно местните нормативи.
2) Якостта на материалите (бетон и стомана) се увеличава, поради липсата на коефициенти за сигурност.
Следователно, при повечето усилвания носещата способност на cfrp системите не е необходима за поемане на натоварването в случай на пожар, така че защита не е необходима.
В случаите, когато защитата на CFRP е наложителна, може да се използва Sikacrete®-213F за осигуряване на пожарозащита до 60 минути.
Често задавани въпроси
1) Трябва ли задължително да се защити усилването с композитни материали (CFRP) срещу пожар?
Не. Само в случаите, когато приноса на CFRP е необходим за поемане на натоварването в състояние на пожар.
2) Каква е очакваната противопожарна устойчивост на елемент (колона или греда) при незащитена усилваща система?
В повечето случаи, елементът притежава значителна пожароустойчивост (ок. 4 часа), дори когато губим приноса на CFRP в рамките на първите минути от възникването на пожара. Пожароустойчивостта на стоманобетонните елементи се оценява в съответствие с местните или международни кодове (напр. Еврокод 2, част 1-2 или ACI216.1-07).
3) В ситуации, когато приноса на CFRP е необходим за поемане на натоварването в случай на пожар, каква е максималната пожароустойчивост, която можем да осигурим?
В случаи, когато неусилен елемент не е в състояние да поеме намаленото съчетание на товарите в случай на пожар, то е необходимо ламинатната CFRP система да бъде защитена, за да запази своя принос към поемане на натоварването. В този случай, максималната постижима защита на CFRP е от 45 до 60 минути (Sikacrete®-213F). След 60-те минути, Sikacrete®-213F продължава да защитава само стоманобетонния елемент.
4) Как се определя дали CFRP трябва да бъдат защитени срещу пожар?
Това е част от процеса на изчисление, както е посочено в различните нормативни документи (ACI 440.2R-08: раздел 9.2.1; fib бюлетин 14: раздели 3.1.2.5 и 3.2.2). Този процес проверява дали якостта на неусиления (съществуващ) елемент е достатъчна за поемане на очакваното натоварване в случай на пожар. CFRP не участва в тази проверка, като изчисляването следва стандартните процедури, описани в Еврокод 2, ACI 318/216 или местните разпоредби за изчисляване на стоманобетонни елементи.
5) Има ли някакъв сертификационен процес или стандартизирано изпитване, свързано с изпълнението на пожарозащитата на CFRP?
За разлика от други строителни материали, (дървесина, бетон, стомана и т.н.), за ламинатните CFRP системи няма норми и специфицирани изпитвания за определяне на ефективни мерките за защита в случай пожар.
Сика разполага със сертификати от проведени изпитвания със Sikacrete®-213F за защита на Sika® CarboDur® и SikaWrap®. В тях се доказва осигуряването на над 4 часова пожароустойчивост на усилени и защитени стоманобетонни елементи.
6) Каква е максималната допустима температура за CFRP в случай на пожар?
Максималната допустима температура за CFRP е ограничена от омекването на епоксидното лепило, т.е. повечето от съществуващите насоки разглеждат като пределна граница Тg (температурата/точка на омекване). Информация за Тg може да бъде получена от техническите данни на лепилото. Въпреки това, трябва да се отбележи, че Tg може значително да варира, най-вече в зависимост от условията на втвърдяване на лепилото.
7) Трябва ли да се защити CFRP срещу пожар в случай на сеизмично осигуряване на конструкцията?
Обикновено не.
Необходимостта за укрепване CFRP се ограничава до поемане на определено натоварване в резултат на сеизмичните ускорения, които могат да възникнат в рамките на секунди или минути за десетилетие или век, като възможността от поява на пожар и земетресение едновременно е много малко вероятна.
Ситуация на пожар може да се очаква СЛЕД земетресението, когато ламинатната система вече не е необходима, тъй като стоманобетонната конструкция е в състояние сама да поеме съществуващото натоварване.
8) Системата за пасивна защита от пожар (напр. Sikacrete®-213F) гарантира, че конструкцията няма да се повреди в случай на пожар, нали?
Не.
Тя просто гарантира, че структурата няма да се разруши по време на евакуацията на сградата (в зависимост от нейната степен на пожароустойчивост), дори когато част от бетона и стоманата са повредени.
9) Мога ли да използвам покрития, които набъбват при високи температури за защита на CFRP от пожар?
Не.
Благодарение на топлинната енергия на огъня агентът, осъществяващ адхезията на покритието с основата започва да омеква, след което набъбва от отделените във вътрешността газове, образувайки пяна, посредством разпенващ агент. За да започне тази реакция е необходима температура > 200°С, която неколкократно надвишава Tg на лепилото на CFRP системата, т.е. ние ще загубим усилващата система много преди набъбващото покритие да започне да я защитава.
10) Нужно ли е да се спазват правилата за пожарозащита на сгради при мостовете?
Обикновено не.
Степента на пожароустойчивост е ориентирана предимно към евакуация на хората. За разлика от сградите, където евакуацията може да отнеме няколко часа, степента на пожароустойчивост на мостовете не е регулирана (а и обикновено няма такава необходимост), тъй като евакуацията обикновено е бърза и проста. Като цяло обаче това следва да се провери в зависимост от местните разпоредби.
За контакти и повече информация – Сика.
Забележка: Информацията в настоящото и всички други съвети се предоставят добронамерено и се базират на текущите познания и опит на Sika с продуктите при условия на правилно съхранение, боравене и използване в нормални условия в съответствие с препоръките на Sika. Информацията се отнася само за приложенията и продуктите, упоменати в настоящото. При промени в параметрите на използване като напр. промени в основата и др., или за друг вид приложение, консултирайте с Техническата служба на Sika преди да използвате продуктите на Sika. Информацията, съдържаща се в настоящото, не освобождава потребителя на продуктите от задължението да ги изпита за пригодност. Всички поръчки се приемат съгласно нашите текущи условия на продажба и доставка. Потребителите са длъжни винаги да правят справка с последното издание на Лист с технически данни за съответния продукт, копия от които се предоставят по заявка.
