Встроительстве применяют металлические конструкции, выполненные из стали, чугуна и сплавов алюминия. Наиболее распространены конструкции из сталей различных классов и марок. Стальные конструкции значительно легче и удобнее в монтаже, чем равные по несущей способности, железобетонные конструкции. Однако в условиях пожара под действием высокой температуры стальные конструкции часто обрушиваются. Последствия пожаров, а также испытания на огнестойкость показали, что большинство стальных конструкций деформируются и теряют устойчивость и несущую способность через 15 мин интенсивного воздействия на них пожара или огневого испытания. Несколько дольше сопротивляются воздействию огня толстостенные стальные конструкции, а также конструкция с большим запасом прочности.
Особенно значительным разрушениям при пожарах подвергаются стальные незащищенные колонны, фермы и балки. Деформации и потери несущей способности стальных колонн вызывают обрушение ферм и в целом покрытий зданий. Такие пожары имеют катастрофический характер и наносят огромный материальный ущерб. Обрушившиеся строительные конструкции здания вызывают порчу оборудования, сырья и готовой продукции, способствуют дальнейшему развитию пожара. В тех случаях, когда в проектируемом здании возможен пожар продолжительностью более 15 мин и требуется сохранить стальные конструкции этого здания, необходима защита таких конструкций от воздействия огня.
В строительной практике наиболее распространенным способом защиты стальных конструкций от огня является облицовка их несгораемым строительным материалом. При этом возникает необходимость подбора наиболее подходящего для этой цели материала, определения требуемой толщины защитной облицовки и отыскания надежного способа ее крепления к поверхности стальной конструкции.
Для защитных облицовок стальных колонн используют легкий бетон, сборные плиты из легких бетонов, керамический кирпич, пустотелые керамические камни, гипсовые и асбестоцементные плиты, штукатурку, стекловолокнистые и минеральные плиты. Эффективность облицовок зависит от физико-химических свойств материалов, из которых изготовлены облицовки, а также от их способности сопротивляться воздействию огня, так как с повышением температуры происходит изменение структуры материла, теряется его прочность, появляются трещины.
Необходимую толщину защитной облицовки обычно определяют расчетом, исходя из теплотехнических характеристик материала облицовки, и в необходимых случаях проверяют экспериментальным путем.
Слой штукатурки толщиной 25 мм, нанесенный по металлической сетке, повышает предел огнестойкости стальной колонны до 50 мин. Увеличение толщины штукатурки до 50 мм повышает предел огнестойкости колонн до 2 ч. Для этого вида зашиты характерно значительное разрушение под действием высокой температуры. На поверхности штукатурки образуются трещины, происходит отслоение отдельных участков поверхности и затем обрушение части штукатурки. Оставшаяся штукатурка становится рыхлой и легко отделяется от граней колонны.
В отличие от штукатурки облицовка стальных колонн в полкирпича при всех огневых испытаниях сохраняется и обеспечивает защиту колонны в течение 5 ч. Колонны, облицованные в четверть кирпича, имели предел огнестойкости 2 ч. Однако, если в таких колоннах пространство между облицовкой и стальным стержнем заполнить бетоном, кирпичом, шлаком или
другим несгораемым материалом, предел огнестойкости такой конструкции может быть увеличен до 3 ч.
Стоимость облицовки стальной колонны составляет 15% ее стоимости, а штукатурки по сетке - 20% Предел огнестойкости стальной колонны, защищенной гипсовыми плитами толщиной 10 мм и слоем штукатурки 20 мм, может быть доведен до 2ч, а увеличив толщину гипсовых плит до 60 мм, предел огнестойкости можно повысить до 4 ч 30 мин. Недостатком такой защиты является усадка гипсовых плит и последующее их обрушение под действием пожара. Причиной усадки гипсовых плит являются физико-химические процессы, протекающие в гипсе во время нагревания. Это свойство плит может быть устранено путем добавки к гипсу мелкого шлака или древесных опилок .
Керамзитовые плиты толщиной 40 мм со штукатуркой толщиной 20 мм обеспечивают защиту стальной колонны в течение 2 ч, а плиты толщиной 65мм при том же слое штукатурки повышают предел огнестойкости колонн до 3,5 ч.
Асбестоцементные плиты толщиной 40 мм со штукатуркой толщиной 20 мм
обеспечивают защиту стальной колонны в течение 2 ч. Путем заполнения
свободного пространства между плитами и стержнем колонны любым
несгораемым материалом можно повысить предел огнестойкости такой
колонны до 2,5 ч. Значительно сложнее защищать от воздействия пожара
стальные балки и фермы Облицовка поверхности таких конструкций плитными
материалами практически невозможна. Значительные трудности вызывают
также нанесение слоя штукатурки, особенно на элементы стальных ферм,
поэтому такой способ защиты применяют сравнительно редко.
В настоящее время разрабатывают более простые способы защиты
металлических конструкций от воздействия огня. Особый интерес представляет
собой нанесенные путем набрызга различных растворов, содержащих такие
эффективные теплоизоляционные материалы, как асбест, вермикулит, перлит.
Хорошие результаты были получены при испытаниях образцов, имеющих облицовку толщиной 60 мм, состоящую из перлита, цемента марки 500, асбеста и жидкого стекла. Колонны с такой облицовкой имели предел огнестойкости 3 ч. Такой же предел огнестойкости был достигнут при защите колонн облицовкой толщиной 55 мм, в которой вместо перлита применялся вермикулит. Если же в качестве облицовки использовать обычный тяжелый бетон, то для обеспечения равноценной огнезащиты толщина облицовки должна быть 70 мм. Высокие огнезащитные свойства оказались у теплоизоляции, состоящей из асбеста, перлита, вермикулита и строительного гипса. Стальные колонны, защищенные такой теплоизоляцией толщиной 40 мм, имели предел огнестойкости 3ч.
Весьма перспективной следует считать защиту стальных конструкций обмазками, вспучивающимися под действием высоких температур. Эти обмазки имеют белый цвет и могут применяться в закрытых отапливаемых помещениях с относительной влажностью воздуха не выше 80%. Обмазки наносят несколько раз на очищенную от ржавчины поверхность металлической конструкции до образования слоя толщиной 2,5...3 мм. Расход обмазки составляет около 5 кг на 1 м2 поверхности. Под воздействие огня толщина слоя обмазки за счет ее вспучивания увеличивается до 50...70 мм, а предел огнестойкости металлической конструкции повышается с 15 до 45...60 мин. Стоимость огнезащитной обработки металлических конструкций вспучивающимися обмазками составляет 20...25% их стоимости.
В последние годы в ряде зарубежных стран построены здания с металлическими каркасами, которые заполняют водой для увеличения их предела огнестойкости.
Водой заполняются колонны каркаса здания, а в ряде случаев и балки перекрытий. Для этой цели применяют воду с анти-коррозионными добавками, а для неотапливаемых зданий - анти-фриз. Системы водонаполнения бывают с разовым наполнение во время пожара, с постоянным заполнением водой с естественной или принудительной циркуляцией. Предел огнестойкости таких конструкций в зависимости от их толщины и скорости движения воды может достигать 2 ч. Стоимость этого вида защиты металлических конструкций от пожара составляет от 6 до 10% стоимости конструкций.