МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «ВСЕРОССИЙСКИЙ ОРДЕНА “ЗНАК ПОЧЕТА”
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ОБОРОНЫ» (ФГБУ ВНИИПО МЧС России)
ОГНЕСТОЙКОСТЬ И ПОЖАРНАЯ ОПАСНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ СТАЛЬНОГО ПРОФИЛИРОВАННОГО ЛИСТА С ПОЛИМЕРНЫМ УТЕПЛИТЕЛЕМ
РЕКОМЕНДАЦИИ
МОСКВА 2015
I
УДК 614.841.13
Разработаны ФГБУ ВНИИПО МЧС России
Огнестойкость и пожарная опасность конструкций покрытий на основе стального профилированного листа с полимерным утеплителем: Рекомендации. — М.: ФГБУ ВНИИПО, 2015. — 29 с.
Актуализированы Рекомендации Огнестойкость и пожарная опасность совмещенных покрытий с основой из стального профилированного листа и утеплителями из пенополистирола, согласованные Департаментом надзорной деятельности и профилактической работы МЧС России.
Даны рекомендации по пожаробезопасному применению полимерных утеплителей в совмещенных покрытиях с основой из стального профилированного листа с различными классами пожарной опасности.
© ФГБУ ВНИИПО МЧС России, 2015
• 6x12 м. высотой 3 м (2 фрагмента. ТЭЦ-25 Мосэнерго. г. Москва. 1973 г.);
• 24х24 м, высотой 6 м (1 фрагмент со световым фонарем. КамАЗ, г. Набережные Челны. 1974 г.);
• 24x18 м. высотой 6 м до низа несущих ферм (2 фрагмента, каждый из двух блоков размером по 12х 18 м, ЖБК, г. Бухара, 1974 г.);
• 12х 12 м, высотой 6 м (2 фрагмента, АвтоВАЗ, г. Тольятти. 1989-1990 гг.).
В процессе натурных огневых испытаний покрытий проверялись различные виды теплоизоляционных материалов (утеплителей), конструктивных решений фрагментов покрытия, а также противопожарных преград и дополнительной изоляции со стороны возможного тепловою воздействия на конструкции (наличие гравийной посыпки толщиной 20-25 мм на кровле или использование дополнительной негорючей изоляции, уложенной непосредственно на профнасгил, а также устройство подвесного потолка). Результаты этих исследований подробно изложены в отчетах институтов Госстроя и ВНИИПО.
Например, натурными испытаниями покрытия площадью 576 м\ проведенными на КамАЗе (г. Набережные Челны) в июле 1974 г., было установлено следующее:
• при возникновении пожара на кровле предложенные дополнительные мероприятия (посыпка из гравия при толщине слоя 15-20 мм, заполнение пустот гофр несущего профнастила негорючей минеральной ватой с торцов на глубину 250 мм), независимо от типа и марки полимерного утеплителя, практически исклю-
11
чили возможность распространения горения по кровле по всем вариантам конструкций покрытия даже при наличии ветра скоростью до 10 м/с и температуре окружающего воздуха 25 °С;
• при пожаре внутри помещения температура на стальном профнастиле достигала 250 300 °С (в этом случае возможно воспламенение ПСБ-С) к 12-й минуте эксперимента. В результате продолжающегося горения изобутилового спирта в противнях (использованного в качестве горючей нагрузки) температура на профнастиле, изолирующих слоях и незащищенных несущих стальных конструкциях к 18-й минуте эксперимента превысила в некоторых точках 900 °С. На 19-й минуте опыта обрушились основные несущие элементы фрагмента, что вызвало обрушение самого покрытия на всей его площади.
Таким образом, при локальном пожаре внутри помещения и площади горения, составляющей около 10 % общей площади испытуемого фрагмента, обрушение всех незащищенных металлических конструкций происходит через 18 мин. с момента начала огневого воздействия. а зона горения и повреждения огнем изолирующих слоев покрытия распространяется на площадь, значительно превышающую площадь локального пожара.
2.3. В целом, с учетом результатов проведенных натурных испытаний для снижения пожарной опасности эксплуатируемых покрытий с утеплителем из ПСБ-С были рекомендованы следующие основные мероприятия:
замена ПСБ-С на негорючий утеплитель;
• обязательное наличие гравийной посыпки толщиной не менее 20 мм на кровле или устройство цементной стяжки;
• нормируемый расход битумных материалов в изолирующих слоях конструкций:
• устройство противопожарных поясов в покрытиях путем замены в этих поясах горючего материала на негорючий;
• забивка пустот гофр профнастила по всей площади покрытия негорючим материалом;
• дополнительная защита горючих теплоизолирующих слоев со стороны профнастила негорючими листовыми и плитными материалами (комбинированное покрытие);
• устройство огнезащитных подвесных потолков в межферменном пространстве.
Однако эти рекомендации были реализованы на объектах с покрытиями из ПСБ-С не в полном объеме.
После этого Госстрой своим постановлением (информационное письмо № 101-Д от 10.10.1980г.) запретил с 01.01.1982 г. дальнейшее применение пенополистирола в качестве утеплителя в покрытиях. Однако это постановление распространялось лишь на те объекты, которые проектировались и строились начиная с 1981 г. Ситуация же с ранее возведенными и действующими объектами, как показали дальнейшие события, оставалась в основном достаточно сложной.
В результате пожара 14 апреля 1993 г. был выведен из строя завод двигателей АО «КамАЗ» (г. Набережные Челны). Причиной катастрофического развития пожара явилось быстрое распространение огня по горючему по-
13
лимерному утеплителю (пенополистиролу) с последующим обрушением стального профнастила и несущих металлических конструкций.
В целях усиления противопожарной защиты и предупреждения пожаров с тяжелыми последствиями на особо важных объектах Российской Федерации, включая АЭС и ТЭС, Госстрой и МВД России в совместном информационном письме от 20.09.1993 г. предложили исключить в соответствии с действующими нормами (в части пожарной безопасности на этот период времени действовали СНиП 2.01.02-85*) применение горючих полимерных утеплителей при проектировании и строительстве особо важных объектов, выход из строя которых может привести к тяжелым социально-экономическим последствиям для предприятия федерального значения, отрасли в целом или ряда отраслей.
В этом документе предложен для реализации ряд консфукгивно-технических мероприятий по повышению огнестойкости и снижению уровня пожарной опасности ограждающих конструкций с полимерными утеплителями. часть из которых не потеряла своей актуальности и в настоящее время.
3. ТРЕБОВАНИЯ ДЕЙСТВУЮЩИХ ПРОТИВОПОЖАРНЫХ НОРМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
3.1. В соответствии с фебованиями Федерального закона от 22.07.2008 г. № 123-ФЗ «Технический регламент о фебованиях пожарной безопасности» (далее ФЗ) сфоительные материалы, в том числе утеплители кон-сфукций. характеризуются только пожарной опасностью.
Пожарная опасность строительных материалов определяется следующими пожарно-техническими характеристиками: горючестью, воспламеняемостью, распространением пламени по поверхности, дымообразующей способностью и токсичностью продуктов горения.
По горючести строительные материалы подразделяются на негорючие (НГ) и горючие (Г).
Горючие строительные материалы подразделяются на четыре группы: Г1 (слабогорючие), Г2 (умеренногорючие), ГЗ (нормальногорючие), Г4 (сильногорючие). Горючесть строительных материалов устанавливается по ГОСТ 30244.
Горючие строительные материалы по воспламеняемости подразделяются на три группы: В1 (трудновос-пламеняемые); В2 (умеренновоспламеняемые); ВЗ (легковоспламеняемые). Группы строительных мате-риаюв по воспламеняемости устанавливаются по ГОСТ 30402.
По дымообразующей способности горючие строительные материалы подразделяются на три группы: Д1 (с малой дымообразующей способностью); Д2 (с умеренной дымообразующей способностью); ДЗ (с высокой дымообразующей способностью). Группы строительных материалов по дымообразующей способности устанавливают по п. 2.14.2 и 4.18 ГОСТ 12.1.044.
11о токсичности продуктов горения горючие строительные материалы подразделяются на четыре класса: Т1 (малоопасные); Т2 (умеренноопасные); ТЗ (высокоопасные); Т4 (чрезвычайно опасные). Классы строительных материалов по токсичности продуктов горения устанавливаются по п. 2.16.2 и 4.20 ГОСТ 12.1.044.
15
Утеплители конструкций подлежат сертификации в области пожарной безопасности. Согласно табл. 27 ФЗ для утеплителей определяются следующие показатели пожарной опасности: группа горючести по ГОСТ 30244. группа воспламеняемости по ГОСТ 30402, группа дымообразующей способности по ГОСТ 12.1.044 (п. 4.18), группа по токсичности продуктов горения по ГОСТ 12.1.044 (п. 4.20).
3.2. Строительные конструкции характеризуются огнестойкостью и пожарной опасностью.
Пределы огнестойкости строительных конструкций устанавливаются по ГОСТ 30247, а классы пожарной опасности — по ГОСТ 30403.
По пожарной опасности строительные конструкции подразделяются на четыре класса: непожароопасные (КО), малопожароопасные (КI). умереннопожароопасные (К2). пожароопасные (КЗ).
Минимальные значения пределов огнестойкости для основных строительных конструкций зданий (сооружений), которыми определяется их степень огнестойкости, приведены в табл. 21 ФЗ. Для бесчердачных покрытий (настилов, в том числе с утеплителем) зданий II-1V степеней огнестойкости предел огнестойкости должен составлять не менее RE 15. В этом случае в качестве несущих допускается применять незащищенные от огня стальные конструкции независимо от их фактического предела огнестойкости, за исключением случаев, когда предел огнестойкости несущих элементов по результатам испытаний составляет менее R 8 в соответствии с СП 2.13130.2012.
Для покрытий зданий I степени огнестойкости минимальный предел огнестойкост и должен составлять RH
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что в нормальных условиях эксплуатации совмещенные покрытия с основой из стального профилированного листа (далее - профлиста) толщиной 0.8-1.0 мм. легким утеплителем из пенополистирола (ППС) толщиной не менее 50 мм, из других полимерных теплоизоляционных материалов и рубероидной кровлей на битумной мастике имеют определенные преимущества в сравнении с традиционно используемыми покрытиями по сборным железобетонным плитам.
Применение пенополистирольных плит (ПСБ. ПСБ-С и их модификаций), фенолрезольных (ФРП), пенополиуретановых (ПУР). полиизоциануратных (ПИР) плит в покрытиях обуславливается их малыми плотностью и водопоглощением, технологичностью, высокими теплоизоляционными и прочностными свойствами.
Такие конструкции имеют в несколько раз меньшую массу по сравнению с традиционными, что позволяет снизить расход стали на основные несущие элементы (колонны, балки, фермы, прогоны и т.п.) и уменьшить общую стоимость строительства. Кроме того, применение облегченных покрытий дает возможность сократить сроки возведения, например, промышленных зданий за счет использования блочных и конвейерных методов сборки непосредственно на строительной площадке.
Массовое строительство объектов энергетики (атомных и тепловых электростанций), металлургии, машиностроения, общественных зданий и сооружений, в покрытиях которых использовались пеноиолисти-
3
рольные плиты, началось фактически с введением в действие СНиП II-A.5-70 «Противопожарные нормы проектирования зданий и сооружений».
Уже на стадии согласования этих норм между представителями Госстроя и специалистами противопожарной службы возникли существенные разногласия по вопросу применения в сгроительстве утеплителей из полимерных материалов, и в частности пенополистирола. Специалисты пожарной охраны настаивали на исключении из приложения проекта указанною СНиПа пенопласта ПСБ-С и предлагали считать конструкции с этим утеплителем и тонкими металлическими обшивками сгораемыми. Однако эти предложения при составлении окончательной редакции СНиП II-A.5-70 учтены не были.
По этим нормам пенополистирольный утеплитель ПСБ-С был классифицирован как трудногорючий материал, а конструкции с его применением, и в частности совмещенные покрытия по стальному профилированному настилу (далее - профнастилу), отнесены к трудносгораемым с пределом огнестойкости 0,25 ч, что фактически разрешило массовое строительство производственных и других зданий с такими конструкциями независимо от их размеров, высоты, степени огнестойкости и категории размещаемых в них производств.
За счет широкого использования сгораемых полимерных утеплителей в ограждениях был снижен ряд требований по противопожарной защите зданий и сооружений. Единственным аргументом Госстроя, как основного разработчика этих противопожарных норм, но вопросу более широкого использования полимерных утеплителей в конструкциях являлась лишь стоимость
строительства, а условия безопасности людей, производства и материальных ценностей во внимание не принимались.
Необходимость внесения изменений (пересмотра) вызвана необходимостью актуализации документа, с имеющимися новыми экспериментальными данными о пожарной опасности материалов и конструкций.
Рекомендации разработаны на примере конструкций с утеплителем из пенополистирола. Наряду с этим, настоящие рекомендации распространяются также и на конструкции покрытий с утеплителем других типов, например 11УР, ПИР и др.
Плиты из ПУР и ПИР в России - материалы сравнительно новые, но производство их в мире налажено достаточно давно. Этот вид утеплителя всё чаще и чаще присутствует на рынке теплоизоляционных материалов. Данные о пожарно-технических характеристиках этих материалов, представлены в таблице 3.
Изоляция из жёсткого пенополиуретана начала производится в середине 60-х годов прошлого века. Чуть позднее (конец 60-х) появилась, так называемая модифицированная версия пенополиуретана под названием пенополиизоцианурат. Изготавливается ПИР из тех же самых основных компонентов, но при другом их соотношении (преобладание изоцианатов).
На сегодняшний момент плиты изготавливаются с разными типами кашировок (алюминиевая фольга, различные холсты) и применяются, как правило, в различных типах тепловой изоляции.
Основные характеристики ПУР и ПИР плит: плотность около 30 кг/м3; теплопроводность при 10 °С -0,022 - 0.028 Вт/(м К) в зависимости от толщины плит и
5
их покрытий; максимальная эксплуатационная температура - 100 °С для ПУР и 150 °С для ПИР.
В качестве вспенивающего агента применяются различные вещества: С02, фреон, различные хладоны и их смеси.
1. ПОЖАРООПАСНЫЕ СВОЙСТВА ПЕНОПОЛИСТИРОЛЬНЫХ ПЛИТ И КОНСТРУКЦИЙ С ИХ ПРИМЕНЕНИЕМ
1.1. Производство плит ПСБ (без добавки антипирена) и ПСБ-С (так называемых «самозатухающих»), имеющих в своем составе антипирен тетрабром параксилол (4-5 % от массы самого полистирола), освоено в начале 60-х годов. В соответствии с ГОСТ 15588 плиты предназначены для тепловой изоляции строительных конструкций и промышленного оборудования при температуре изолируемых поверхностей не выше 70 °С и имеют следующие физико-механические характеристики:
• толщина выпускаемых плит - от 20 до 100 мм;
• плотность - от 20 до 40 кг/м3, причем плиты марки 20 выпускаются без антипиреновой добавки;
• температура плавления полистирола - около 200
°С‘
• температура воспламенения полистирола - 310
°С*
v-'?
• коэффициент теплопроводности в сухом состоянии при 20 °С - 0,035 Вт/(м К);
• предел прочности при статическом изгибе и сжатии - соответственно около 0,7 и 0,8 МПа;
• низшая теплота сгорания - около 40.0 МДж/кг.
1.2. Проведенные во ВНИИПО в середине 1960-х годов исследования показали, что плиты ППС марок ПСБ и ПСБ-С обладают повышенной пожароопасностью. Было установлено, что при плотности около 20 кг/м3 они относятся к горючим легковоспламеняемым материалам, а более 20 кг/м3 - к горючим. При действии пламени газовой горелки эти материалы легко воспламеняются и плавятся. Плав, в свою очередь, горит и при растекании вызывает интенсивное распространение огня по испытуемым образцам. К тому же плиты ПСБ. ПСБ-С и другие полимерные утеплители, в большинстве своем, обладают высокой дымообразующей способностью и при горении выделяют токсичные продукты горения.
1.3. Одновременно с исследованиями пожароопасных свойств самих материалов из ППС во ВНИИПО в конце 1960-х годов проводилась серия стандартных испытаний образцов наружных ограждений (покрытий по штампованному профлисту, а также фрагментов стен из трехслойных панелей со стальными, алюминиевыми, асбестоцементными обшивками и утеплителем из 11СБ-С плотностью 30 - 35 кг/м3) в целях определения их пожарно-технических характеристик.
Испытаниями фрагментов стен с различными типами обшивок и утеплителем из ПСБ-С было установлено, что такой утеплитель воспламеняется, как правило, уже через 3-4 мин с момента начала одностороннего теплового воздействия по режиму «стандартного» пожара, после чего имеет место скрытое распространение огня по утеплителю внутри конструкций. Горение и разло-
7
жение полистирола в панелях стен сопровождается образованием плава, обильным выделением дыма и токсичных продуктов горения и продолжается практически до полного выгорания утеплителя даже при удалении источника теплового воздействия на конструкции.
1.4. По результатам проведенных исследований навесные стены с обшивками из тонких стальных, алюминиевых или асбестоцементных листов толщиной соответственно 0,8 и 10 мм и утеплителем из ПСБ-С независимо от его толщины отнесены к группе сгораемых конструкций с пределом огнестойкости 0.1 - 0,2 ч.
1.5. Испытанные образцы покрытий с утеплителем из ПСБ-С по штампованному профнастилу (при толщине листа 0,8-1,0 мм) также обладают высокой пожароопасностью. Конструкция совмещенного покрытия (несущий элемент - штампованный профнастил толщиной 0,8 мм; пароизоляция - один слой рубероида на битумной мастике, утеплитель - плиты из ПСБ-С толщиной 50 мм; кровля - 2 - 3 слоя рубероида на битумной мастике) отнесена к группе сгораемых: предел огнестойкости такого покрытия под нагрузкой 100 кг/м2 составляет 0,2 - 25 ч. Наличие незаполненных пустот в гофрах несущего профнастил а, а также ненормируемый расход битумной мастики для крепления элементов конструкции между собой существенно повышают способность ПСБ-С к скрытому распространению огня по таким покрытиям. Этот процесс сопровождается также образованием и вытеканием горящего плава полистирола и битума через стыки между деформированными листами профнастил а в условиях одностороннего нагрева.
2. ПОСЛЕДСТВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ УТЕПЛИТЕЛЯ ИЗ ПЕНОПОЛИСТИРОЛЬНЫХ ПЛИТ В СОВМЕЩЕННЫХ ПОКРЫТИЯХ ЗДАНИЙ. РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ ФРАГМЕНТОВ ПОКРЫТИЙ
2.1. Использование ПСБ-С и других подобных полимерных материалов в покрытиях по штампованному профнастилу без надлежащей огнезащиты со стороны возможного теплового воздействия привело при пожарах на отдельных объектах к катастрофическим последствиям.
С начала 1970-х годов и в последующем произошли крупные пожары на Бухарском хлопчатобумажном комбинате, Капчагайском фарфоровом заводе. Чернобыльской АЭС, а также пожары на объектах в городах Житомир, Челябинск, Надым, Жлобин, Ленинград. Эти пожары, в отдельных случаях, явились следствием неосторожного обращения с огнем при проведении газосварочных работ, халатности обслуживающего персонала, нарушений технологического процесса, неисправности электрооборудования и других причин и характеризовались:
• быстрым распространением огня по покрытиям на значительные площади (до 100-150 тыс. м2);
• значительными деформациями настилов покрытий и основных несущих элементов (стальных ферм, балок, прогонов и т.п.), что приводило к преждевременному обрушению их уже на 12-18-й мин. с момента начала развитой стадии пожара:
9
• образованием горящего плава Г1ПС и битумных материалов, стекающих внутрь горящих помещений, что существенно увеличивало пожарную нагрузку;
• значительной продолжительностью (2 ч и более) и сложностью тушения, малой эффективностью применяемых средств пожаротушения вследствие скрытого распространения огня по утеплителю;
• выделением большого количества дыма и токсичных продуктов термического разложения и горения полимерных материалов.
Обрушение несущих элементов покрытий и ирофна-стила довершало уничтожение технологического оборудования и материальных ценностей, находящихся в зданиях на момент возникновения пожаров.
2.2. Поскольку характер развития указанных пожаров в зданиях и размер ущерба от них в основном определялись поведением облегченных консгрукций покрытий, возникла необходимость путем экспериментов в условиях, максимально приближенных к натурным, провести дополнительную проверку огнестойкости и пожарной опасности покрытий со стальным профна-стилом и горючими изолирующими слоями (пароизоля-цией, полимерным утеплителем, 3-4 - слойной кровлей из рулонных материалов с использованием битумных связующих), а также разработать мероприятия по повышению огнестойкости и снижению пожарной опасности таких конструкций.
Натурные огневые испытания различных вариантов покрытий проводились при участии ВНИИПО, Главного Управления пожарной охраны (ГУПО) и организаций Госстроя на фрагментах зданий размерами:
