Рекомендации. Огнестойкость и пожарная опасность совмещенных покрытий с основой из стального профилированного листа и утеплителя из пенополистирола

УДК

Разработаны ФГУ ВНИИПО МЧС России (д-р техн. наук, профессор И.А. Болодьян, д-р техн. наук, профессор Н.В. Смирнов, канд. техн. наук B.C. Харитонов, А.С. Етумян)

Согласованы начальником УГПН МЧС России (письмо исх. № 19-2-4914 от26.12.2007 г.).

Рекомендации «Огнестойкость и пожарная опасность совмещенных покрытий с основой из стального профилированного листа и утеплителями из пенополистирола». М: ФГУ ВНИИПО, 2008. 16 с.

Даны рекомендации по пожаробезопасному применению утеплителей из пенополистирола для покрытий на основе металлического профилированного металлического листа с различными классами пожарной опасности.

 

 

1. Введение

     Известно, что в нормальных условиях эксплуатации совмещенные покрытия с основой из стального профилированного листа толщиной 0,8-1,0 мм, легким утеплителем из пенополистирольных (1111С) плит толщиной не менее 50 мм и рубероидной кровлей на битумной мастике имеют некоторые преимущества в сравнении с традиционно используемыми покрытиями по сборным железобетонным плитам.

     Применение пенополистирольных плит (ПСБ, ПСБ-С и их модификаций) в покрытиях обуславливается их малой плотностью и водопоглощением, технологичностью, высокими теплоизоляционными и прочностными свойствами.

     Такие конструкции имеют в несколько раз меньшую массу, 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 давало 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 пенополистирольные плиты, началось фактически с введением в действие СНиП П-А.5-70 "Противопожарные нормы проектирования зданий и сооружений".

     Уже на стадии согласования этих норм между представителями Госстроя и специалистами пожарной охраны (ГУПО и ВНИИПО) возникли существенные разногласия по вопросу применения в строительстве утеплителей из

полимерных материалов и, в частности, ПСБ-С. Специалисты пожарной охраны настаивали на исключении из приложения 1 проекта указанного СНиПа пенопласта ПСБ-С, классифицированного как трудносгораемый материал, и предлагали считать конструкции с этим утеплителем и тонкими металлическими обшивками сгораемыми.

     Однако предложения ГУПО и ВНИИПО при составлении окончательной редакции СНиП П-А.5-70 учтены не были.

     По этим нормам пенополистирольный утеплитель ПСБ-С был классифицирован как трудносгораемый материал, а конструкции с его применением, и, в частности, совмещенные покрытия по стальному 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, по вопросу более широкого использования полимерных утеплителей в конструкциях являлась лишь стоимость строительства, а условия безопасности людей, производства и материальных ценностей во внимание не принимались.

2. Пожароопасные свойства пенополистирольных плит и конструкций с их применением

     Плиты ПСБ (без добавки антипирена) и ПСБ-С (так называемый "самозатухающий"), имеющий в своем составе антипирен -тетрабромпараксилол (4-5% к весу самого полистирола), освоены производством 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;

     - коэффициент теплопроводности в сухом состоянии при 20 °С 0,035 Вт/мхград;

     - предел прочности при статическом изгибе и сжатии соответственно около 0,7 и 0,8 МПа;

     - низшая теплота сгорания около 39,8 МДж/кг (9500 ккал/кг).

     2.1 Проведенные во ВНИИПО в середине 60-х годов исследования, показали что, ППС плиты марок ПСБ и ПСБ-С обладают повышенной пожароопасностью. Было установлено, что при плотности около 20 кг/м3 они относятся к сгораемым легковоспламеняемым материалам, при плотности более 20 кг/м к сгораемым. При действии пламени газовой горелки (метод огневой трубы) эти материалы легко загораются, плавятся, плав в свою очередь загорается и, растекаясь, вызывает интенсивное распространение огня по испытываемым образцам. К тому же при своем горении плиты ПСБ, ПСБ-С и другие обладают высокими дымообразующей способностью и токсичностью продуктов горения.

     2.2 Одновременно с исследованиями пожароопасных свойств самих материалов из ППС, во ВНИИПО в конце 60-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 ПСБ-С плотностью 30-35 кг/м3) с целью 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 от начала одностороннего теплового воздействия по режиму "стандартного" пожара, после чего имеет место скрытое распространение огня по утеплителю внутри конструкций. Горение и разложение полистирола в панелях стен сопровождалось образованием плава, обильным выделением дыма и токсичных продуктов горения и продолжалось практически до полного выгорания утеплителя даже при удалении источника теплового воздействия на конструкции.

     По результатам проведенных исследований навесные стены с обшивками из тонких стальных, алюминиевых или асбестоцементных листов при толщине соответственно 0,8 мм 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.

     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 0,2-0,25 ч.

     Наличие незаполненных пустот в гофрах несущего профнастила, а также ненормируемый расход битумной мастики для крепления элементов конструкции между собой, существенно повышает способность ПСБ-С к скрытому распространению огня по таким покрытиям. Этот процесс также сопровождается образованием и вытеканием горящего плава полистирола и битума через стыки между деформированными листами профнастила в условиях одностороннего нагрева.

3. Последствия применения утеплителя из пенополистирольных плит в совмещенных покрытиях зданий, результаты натурных испытаний фрагментов покрытий

     3.1 Использование ПСБ-С и других подобных полимерных материалов в покрытиях по штампованному профнастилу без надлежащей огнезащиты со стороны возможного теплового воздействия привело на отдельных объектах к катастрофическим последствиям.

     С начала 70-х годов и в последующем произошли крупные пожары на Бухарском хлопчато-бумажном комбинате, Капчагайском фарфоровом заводе, Чернобыльской АЭС, а также пожары в городах Житомире, Челябинске, Надыме, Жлобине, Ленинграде. 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 их преждевременному обрушению уже на 12-18 мин от начала развитой стадии пожара;

     - образованием горящего плава ППС 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 профнастила довершали уничтожение технологического оборудования и материальных ценностей, находящихся в зданиях на момент возникновения пожаров.

     3.2 Так как характер развития указанных пожаров в зданиях и размер ущерба от них, в основном, определялись поведением облегченных конструкций покрытий, возникла необходимость путем экспериментов в условиях, максимально приближенных к натурным, произвести дополнительную проверку огнестойкости и горючести покрытий со стальным профнастилом и сгораемыми изоляционными слоями (пароизоляцией, полимерным утеплителем, 3-4-х 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, ГУПО и организаций Госстроя СССР на фрагментах зданий размерами:

     - 6x12 м и высотой 3 м (2 фрагмента, ТЭЦ-25 Мосэнерго, г. Москва, 1973 г.);

     - 24x24 м и высотой 6 м (1 фрагмент со световым фонарем, КамАЗ, г. Набережные Челны, 1974 г.);

     - 24x18 м и высотой 6 м до низа несущих ферм (2 фрагмента, каждый из двух блоков размером по 12x18 м, ЖБК г. Бухара, 1974 г.);

     - 12x12 м и высотой 6 м (2 фрагмента, АвтоВАЗ, г. Тольятти, 1989-90 г.г.).

     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 теплового воздействия на конструкции (наличие гравийной посыпки толщиной 20-25 мм на кровле, или использование дополнительной негорючей изоляции, уложенной непосредственно на профнастил, а также устройство подвесного потолка). Результаты этих исследований подробно изложены в отчетах институтов Госстроя и ВНИИПО.

     Например, натурными испытаниями покрытия площадью 576 м2, проведенными на КамАЗе (г. Набережные Челны) в июле 1974 г., было установлено следующее:

     1. 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 торцев на длину 250 мм), независимо от типа и марки полимерного утеплителя, практически исключили 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.

     2. При пожаре внутри помещения температура на стальном профнастиле достигала 250-300 °С (при которой 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, изоляционных 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 испытываемого фрагмента, обрушение всех незащищенных металлических конструкций происходит через 0,3 ч от начала огневого воздействия, а зона горения и повреждения огнем изоляционных слоев покрытия распространилась на площадь, значительно превышающую площадь локального пожара.

     3.3 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 изоляционных 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 сгораемых теплоизоляционных 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 10.10.1980 г.) запретил с 01.01.1982 г. дальнейшее применение пенополистирола в качестве утеплителя в покрытиях. Однако это постановление имело значение для обеспечения пожарной безопасности проектируемых и строящихся объектов начиная с 1981 года. Ситуация же с ранее возведенными и действующими объектами, как показали дальнейшие события оставалась в основном достаточно пожароопасной.

     В результате пожара 14 апреля 1993 года был выведен из строя завод двигателей АО "КамАЗ" (г. Набережные Челны). Причиной катастрофического развития пожара явилось быстрое распространение огня по горючему полимерному 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 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 (см. совместное информационное письмо Госстроя и МВД России от 20.09.1993 г.).

     В этом документе предложен к реализации ряд конструктивнотехнических мероприятий по повышению огнестойкости и снижению уровня пожарной опасности ограждающих конструкций с полимерными утеплителями, некоторые из которых не потеряли своей актуальности и в настоящее время.

 

...