โครงสร้างเหล็กทนไฟได้อย่างไร?

โครงสร้างเหล็กมีจุดอ่อนที่สำคัญ: ทนไฟไม่ดี เพื่อให้แน่ใจว่าโครงสร้างเหล็กจะรักษาความแข็งแรงและความแข็งไว้ได้เป็นระยะเวลานานในระหว่างที่เกิดเพลิงไหม้ การปกป้องชีวิตและทรัพย์สิน จึงมีการนำมาตรการป้องกันอัคคีภัยหลายประการมาใช้ในโครงการวิศวกรรมเชิงปฏิบัติ

บทความนี้จะกล่าวถึงรายละเอียดเกี่ยวกับมาตรการป้องกันอัคคีภัยต่างๆ ตามหลักการพื้นฐาน และเปรียบเทียบข้อดีและข้อเสีย

มาตรการป้องกันอัคคีภัยของโครงสร้างเหล็กแบ่งออกเป็นสองประเภทตามหลักการ: วิธีการฉนวนกันความร้อนและวิธีการระบายความร้อนด้วยน้ำ วัตถุประสงค์ร่วมกันของพวกเขาคือเพื่อให้แน่ใจว่าส่วนประกอบจะมีอุณหภูมิวิกฤตไม่เกินกรอบเวลาที่กำหนด ความแตกต่างอยู่ที่แนวทาง: วิธีการฉนวนกันความร้อนป้องกันการถ่ายเทความร้อนไปยังส่วนประกอบ ในขณะที่วิธีการระบายความร้อนด้วยน้ำช่วยให้ความร้อนเข้าถึงส่วนประกอบแล้วกระจายความร้อนเพื่อให้บรรลุเป้าหมาย

อัตราการทนไฟของโครงสร้างเหล็กหมายถึงระยะเวลาในการทนไฟระหว่างการทดสอบการทนไฟมาตรฐาน โดยวัดตั้งแต่ช่วงเวลาที่สัมผัสกับไฟจนกระทั่งสูญเสียความเสถียร ความสมบูรณ์ หรือฉนวนกันความร้อน

สิ่งสำคัญที่ควรทราบคือแม้ว่าเหล็กเองจะไม่ติดไฟหรือเผาไหม้ แต่อุณหภูมิก็ได้รับผลกระทบอย่างมากจากคุณสมบัติของเหล็ก ที่ 250 องศา ความทนทานต่อแรงกระแทกของเหล็กจะลดลง และเกิน 300 องศา จุดครากและความแข็งแกร่งขั้นสุดท้ายจะลดลงอย่างมาก ในการเกิดเพลิงไหม้ที่เกิดขึ้นจริง โดยมีสภาวะการโหลดคงที่ อุณหภูมิวิกฤติที่โครงสร้างเหล็กสูญเสียเสถียรภาพของสมดุลสถิตคือประมาณ 500 องศา ในขณะที่อุณหภูมิไฟทั่วไปอยู่ที่ 800–1,000 องศา ด้วยเหตุนี้ โครงสร้างเหล็กจึงเกิดการเสียรูปแบบพลาสติกอย่างรวดเร็วภายใต้อุณหภูมิที่เกิดเพลิงไหม้สูง ซึ่งนำไปสู่ความล้มเหลวเฉพาะที่ และท้ายที่สุดทำให้โครงสร้างทั้งหมดพังทลายและล้มเหลว

โครงสร้างเหล็กต้องมีมาตรการป้องกันอัคคีภัยเพื่อให้แน่ใจว่ามีอัตราการทนไฟเพียงพอ วิธีนี้จะช่วยป้องกันการให้ความร้อนอย่างรวดเร็วของส่วนประกอบเหล็กถึงอุณหภูมิวิกฤตระหว่างเกิดเพลิงไหม้ หลีกเลี่ยงการเสียรูปมากเกินไปจนทำให้โครงสร้างพังทลาย และทำให้มีเวลาอันมีค่าในการดับเพลิงและการอพยพอย่างปลอดภัย ช่วยลด-การสูญเสียที่เกี่ยวข้องกับเพลิงไหม้

วิธีการกั้นความร้อน
วิธีการกั้นความร้อนแบ่งตามการเคลือบกันไฟและวัสดุห่อหุ้ม รวมถึงเทคนิคการพ่นและการห่อหุ้ม วิธีการพ่นช่วยปกป้องส่วนประกอบโดยการเคลือบหรือพ่นสารเคลือบกันไฟ วิธีการห่อหุ้มสามารถแบ่งเพิ่มเติมได้เป็นการห่อหุ้มแบบกลวงและการห่อหุ้มแบบทึบ

วิธีสเปรย์

โดยทั่วไปแล้ว สารเคลือบกันไฟจะถูกทาหรือพ่นบนพื้นผิวเหล็กเพื่อสร้างชั้นฉนวนกันความร้อน-ที่ทนไฟ ซึ่งช่วยเพิ่มระดับการทนไฟของโครงสร้างเหล็ก วิธีการนี้ช่วยให้มีโครงสร้างที่เรียบง่าย น้ำหนักเบา เพิ่มระยะเวลาการทนไฟ และไม่ถูกจำกัดด้วยรูปทรงเรขาคณิตของส่วนประกอบที่เป็นเหล็ก ให้ต้นทุนที่ดี-มีประสิทธิผลและใช้งานได้จริง ทำให้สามารถนำไปใช้อย่างกว้างขวาง สารเคลือบกันไฟสำหรับโครงสร้างเหล็กมีหลายประเภท โดยแบ่งกว้างๆ เป็นสองประเภท: การเคลือบฟิล์มบาง-คลาส B (เช่น การเคลือบฟิล์มทนไฟด้วยโครงสร้างเหล็ก) และการเคลือบฟิล์มหนาคลาส H-

โดยทั่วไปสารเคลือบกันไฟคลาส B จะมีความหนาของสารเคลือบ 2-7 มม. วัสดุฐานคือเรซินอินทรีย์ ซึ่งให้ผลการตกแต่งบางส่วนในขณะที่ขยายตัวและหนาขึ้นที่อุณหภูมิสูง ระดับการทนไฟสามารถเข้าถึงได้ 0.5 ถึง 1.5 ชั่วโมง สารเคลือบกันไฟโครงสร้างเหล็กแบบฟิล์มบาง-มีลักษณะเป็นสารเคลือบบาง น้ำหนักเบา และต้านทานการสั่นสะเทือนได้ดี สำหรับโครงสร้างเหล็กในร่มแบบเปิดโล่งและโครงสร้างเหล็กหลังคาน้ำหนักเบาที่มีการระบุระดับการทนไฟ 1.5 ชั่วโมงหรือน้อยกว่า แนะนำให้ใช้โครงสร้างเหล็กแบบฟิล์มบาง{11}}กันไฟ สารเคลือบกันไฟชนิด H- โดยทั่วไปจะมีความหนาของสารเคลือบ 8 ถึง 50 มม. และมีพื้นผิวเป็นเม็ด ส่วนใหญ่ประกอบด้วยวัสดุฉนวนความร้อนอนินทรีย์ มีความหนาแน่นต่ำและการนำความร้อน อัตราการทนไฟสามารถเข้าถึง 0.5 ถึง 3.0 ชั่วโมง สารเคลือบกันไฟที่มีโครงสร้างเป็นฟิล์มหนา-โดยทั่วไปจะไม่-ติดไฟ ทนต่อการเสื่อมสภาพ และมีความทนทานที่เชื่อถือได้ สำหรับโครงสร้างเหล็กในร่มแบบซ่อน โครงสร้างเหล็ก-ทั้งหมดในอาคารสูงและ-โครงสร้างเหล็กโรงงานอุตสาหกรรมหลายชั้นที่ต้องการอัตราการทนไฟ 1.5 ชั่วโมงหรือสูงกว่า ควรเลือกการเคลือบกันไฟด้วยโครงสร้างแบบฟิล์มหนา

วิธีการห่อหุ้ม

1) วิธีการห่อหุ้มแบบกลวง: โดยทั่วไปจะใช้แผงกันไฟหรืออิฐทนไฟเพื่อห่อหุ้มส่วนประกอบที่เป็นเหล็กตามแนวเส้นรอบวงด้านนอก โครงสร้างเหล็กส่วนใหญ่ในโรงงานปิโตรเคมีในประเทศใช้การก่ออิฐทนไฟเพื่อปกป้องส่วนประกอบที่เป็นเหล็ก วิธีการนี้มีความแข็งแรงและทนทานต่อแรงกระแทกสูง แต่มีข้อเสีย เช่น ต้องการพื้นที่มากและการก่อสร้างที่ซับซ้อน การใช้แผงวัสดุทนไฟน้ำหนักเบา เช่น แผ่นซีเมนต์เสริมใย- แผ่นยิปซั่ม หรือแผ่นเวอร์มิคูไลต์ เป็นชั้นนอกที่กันไฟได้ วิธีการปิดกล่อง-สำหรับส่วนประกอบเหล็กขนาดใหญ่มีข้อดีต่างๆ เช่น พื้นผิวสำเร็จรูปที่เรียบและเรียบ ต้นทุนต่ำ การสูญเสียวัสดุน้อยที่สุด ไม่มีมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม และการต้านทานการเสื่อมสภาพ นำเสนอโอกาสที่มีแนวโน้มสำหรับการนำไปใช้อย่างกว้างขวาง

2) วิธีการหุ้มแบบทึบ: โดยทั่วไปเกี่ยวข้องกับการหุ้มส่วนประกอบที่เป็นเหล็กโดยการเทคอนกรีตเพื่อห่อหุ้มอย่างสมบูรณ์ วิธีการนี้ใช้กับเสาเหล็กในศูนย์การเงินโลกผู่ตงในเซี่ยงไฮ้ ข้อดีของมันคือมีความแข็งแรงสูงและทนทานต่อแรงกระแทก แต่ข้อเสียคือพื้นที่จำนวนมากที่ถูกครอบครองโดยชั้นป้องกันคอนกรีตและโครงสร้างที่ค่อนข้างซับซ้อน โดยเฉพาะบนคานเหล็กและเหล็กค้ำยัน

วิธีการทำน้ำเย็น

วิธีการระบายความร้อนด้วยน้ำ ได้แก่ การระบายความร้อนด้วยสเปรย์น้ำ และการระบายความร้อนด้วยน้ำ-

สเปรย์น้ำหล่อเย็น
การระบายความร้อนด้วยสเปรย์น้ำเกี่ยวข้องกับการติดตั้งระบบสปริงเกอร์แบบอัตโนมัติหรือแบบแมนนวลเหนือโครงสร้างเหล็ก ในระหว่างที่เกิดเพลิงไหม้ การเปิดใช้งานสปริงเกอร์จะสร้างฟิล์มน้ำต่อเนื่องบนพื้นผิวเหล็ก เมื่อเปลวไฟไปถึงพื้นผิวเหล็ก น้ำระเหยจะดูดซับความร้อน ส่งผลให้โครงสร้างบรรลุอุณหภูมิขีดจำกัดได้ช้าลง วิธีการนี้ถูกนำมาใช้ในอาคารวิศวกรรมโยธาที่มหาวิทยาลัยถงจี้

เติมน้ำ-เติมความเย็น

การเติมน้ำ-การระบายความร้อนเกี่ยวข้องกับการเติมน้ำลงในชิ้นส่วนเหล็กกลวง น้ำที่ไหลเวียนภายในโครงสร้างเหล็กจะดูดซับความร้อนที่เกิดจากตัวเหล็ก ทำให้โครงสร้างสามารถรักษาอุณหภูมิที่ต่ำลงระหว่างเกิดเพลิงไหม้ และป้องกันการสูญเสีย-ความสามารถในการรับน้ำหนักเนื่องจากความร้อนที่มากเกินไป เพื่อป้องกันการกัดกร่อนและการแข็งตัว น้ำจะต้องมีสารยับยั้งการเกิดสนิมและสารป้องกันการแข็งตัว วิธีการนี้ใช้กับเสาเหล็กในอาคาร US Steel Building สูง 64 ชั้นในเมืองพิตส์เบิร์ก ประเทศสหรัฐอเมริกา

วิธีการฉนวนกันความร้อนใช้วัสดุกันความร้อน-เพื่อชะลอการถ่ายเทความร้อนไปยังส่วนประกอบโครงสร้างเหล็ก โดยรวมแล้ว ฉนวนมีความมีชีวิตทางเศรษฐกิจและการใช้งานจริงที่ดีกว่า ทำให้ฉนวนถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการใช้งานทางวิศวกรรมจริง แม้ว่าการระบายความร้อนด้วยน้ำเป็นมาตรการป้องกันอัคคีภัยที่มีประสิทธิภาพ แต่ข้อกำหนดการออกแบบโครงสร้างเฉพาะทางและต้นทุนที่สูงขึ้นได้จำกัดการนำการนำไปใช้อย่างแพร่หลายในการปฏิบัติงานด้านวิศวกรรมมาใช้

เนื่องจากฉนวนกันความร้อนถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการป้องกันอัคคีภัยของโครงสร้างเหล็ก ส่วนต่อไปนี้จึงมุ่งเน้นไปที่การเปรียบเทียบข้อดีและข้อเสียของวิธีการเคลือบด้วยสเปรย์และการห่อหุ้มภายในมาตรการฉนวนกันความร้อน

ทนไฟ

ในแง่ของการทนไฟ วิธีการห่อหุ้มมีประสิทธิภาพเหนือกว่าวิธีการเคลือบแบบสเปรย์ วัสดุห่อหุ้ม เช่น คอนกรีตและอิฐทนไฟมีความต้านทานไฟได้ดีกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับสารเคลือบกันไฟทั่วไป นอกจากนี้ ความต้านทานไฟของแผงกันไฟแบบใหม่ยังเหนือกว่าการเคลือบกันไฟอีกด้วย ขีดจำกัดการทนไฟนั้นสูงกว่าวัสดุฉนวนกันไฟที่มีความหนาเท่ากันสำหรับโครงสร้างเหล็กอย่างมาก และยังเกินกว่าค่าเคลือบกันไฟที่ทนไฟอีกด้วย

ความทนทาน

วัสดุห่อหุ้มเช่นคอนกรีตมีความทนทานที่เหนือกว่า ต้านทานการเสื่อมประสิทธิภาพเมื่อเวลาผ่านไป ความทนทานยังคงเป็นความท้าทายที่ยังไม่ได้รับการแก้ไขสำหรับการเคลือบกันไฟของโครงสร้างเหล็ก สารเคลือบกันไฟแบบอินทรีย์-บางและพิเศษ- ไม่ว่าจะใช้ภายในอาคารหรือภายนอกอาคาร อาจเกิดการย่อยสลาย การย่อยสลาย หรือการเสื่อมสภาพของส่วนประกอบอินทรีย์ สิ่งนี้นำไปสู่การหลุดล่อนของการเคลือบ การเกิดผง หรือการสูญเสียคุณสมบัติในการกันไฟ

ความสามารถทำงานได้

การพ่นสเปรย์ป้องกันอัคคีภัยจากเหล็กทำได้ง่ายโดยไม่ต้องใช้เครื่องมือที่ซับซ้อน อย่างไรก็ตาม การพ่น-การพ่นเคลือบทำให้การควบคุมคุณภาพต่ำ-การขจัดสนิม ความหนาของการเคลือบ และความชื้นในสิ่งแวดล้อมเป็นเรื่องยากที่จะจัดการ วิธีการห่อหุ้มมีความซับซ้อนมากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับเหล็กจัดฟันและคาน แต่ให้การควบคุมที่เหนือกว่าและคุณภาพที่สม่ำเสมอ สามารถควบคุมขีดจำกัดการทนไฟได้อย่างแม่นยำโดยการปรับความหนาของวัสดุห่อหุ้ม

ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม

การใช้สเปรย์ก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อมในระหว่างการก่อสร้าง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อก๊าซที่เป็นอันตรายสามารถปล่อยออกมาได้ภายใต้อุณหภูมิสูง วิธีการห่อหุ้มไม่ปล่อยสารพิษในระหว่างการก่อสร้าง การใช้งานปกติ หรือภายใต้สภาวะที่เกิดเพลิงไหม้ ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการปกป้องสิ่งแวดล้อมและความปลอดภัยของบุคลากรระหว่างเกิดเพลิงไหม้

เศรษฐศาสตร์

วิธีการพ่นมีลักษณะการก่อสร้างที่เรียบง่าย ระยะเวลาโครงการสั้น และต้นทุนการก่อสร้างต่ำ อย่างไรก็ตาม การเคลือบกันไฟมีราคาแพง และค่าบำรุงรักษาสูงเนื่องจากปัญหาต่างๆ เช่น อายุการเคลือบ วิธีการห่อมีต้นทุนการก่อสร้างสูงกว่าแต่ใช้วัสดุราคาไม่แพงและค่าบำรุงรักษาต่ำ โดยรวมแล้ว วิธีการห่อให้ประสิทธิภาพเชิงเศรษฐกิจที่ดีกว่า

การบังคับใช้

วิธีการพ่นไม่ได้ถูกจำกัดด้วยรูปทรงของส่วนประกอบ และใช้กันอย่างแพร่หลายในการปกป้องคาน เสา แผ่นพื้น โครงสร้างหลังคา และส่วนประกอบอื่นๆ เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการป้องกันอัคคีภัยในระบบโครงสร้างเชิงพื้นที่ เช่น โครงสร้างเหล็กน้ำหนักเบา โครงสร้างสเปซเฟรม และโครงสร้างเหล็กที่ไม่เรียบ วิธีการพันเกี่ยวข้องกับการก่อสร้างที่ซับซ้อน โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับส่วนประกอบต่างๆ เช่น คานเหล็กและเหล็กค้ำยัน โดยทั่วไปมักใช้สำหรับคอลัมน์และมีขอบเขตการใช้งานน้อยกว่าวิธีการพ่น

การครอบครองพื้นที่

การเคลือบกันไฟที่ใช้ในการฉีดพ่นจะใช้ปริมาตรน้อยที่สุด ในขณะที่วัสดุห่อหุ้ม เช่น คอนกรีตและอิฐทนไฟจะใช้พื้นที่ ส่งผลให้พื้นที่ใช้สอยลดลง นอกจากนี้ วัสดุห่อหุ้มยังมีน้ำหนักมากกว่ามาก

จากการวิเคราะห์ข้างต้น สามารถสรุปได้ดังต่อไปนี้:

1) การเลือกมาตรการป้องกันอัคคีภัยสำหรับโครงสร้างเหล็กต้องพิจารณาหลายปัจจัย ได้แก่ ประเภทของชิ้นส่วน ความยากในการก่อสร้าง ข้อกำหนดด้านคุณภาพ ความต้องการความทนทาน และประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจ

2) เมื่อเปรียบเทียบการใช้สเปรย์และวิธีการห่อหุ้ม การพ่นสเปรย์มีข้อดีในเทคนิคการก่อสร้างที่เรียบง่ายเป็นหลัก และการเปลี่ยนแปลงรูปลักษณ์ของส่วนประกอบเพียงเล็กน้อยหลังการใช้งาน- การห่อหุ้มมีข้อได้เปรียบในด้านต้นทุนที่ต่ำกว่า ความต้านทานไฟที่เหนือกว่า และความทนทานเป็นหลัก

3) มาตรการป้องกันอัคคีภัยแต่ละอย่างมีจุดแข็งและข้อจำกัดที่แตกต่างกัน ในการใช้งานทางวิศวกรรม การรวมมาตรการต่างๆ เข้าด้วยกันสามารถใช้ประโยชน์จากข้อดีของตนและชดเชยข้อบกพร่องได้ การใช้มาตรการที่แตกต่างกันสามารถสร้างการป้องกันอัคคีภัยได้หลายชั้น