Wie kann man Stahlkonstruktionen feuerfest machen?

Stahlkonstruktionen haben eine entscheidende Schwäche: die geringe Feuerbeständigkeit. Um sicherzustellen, dass Stahlkonstruktionen bei Bränden über längere Zeiträume ihre Festigkeit und Steifigkeit behalten und Leben und Eigentum schützen, werden in praktischen Ingenieurprojekten häufig mehrere Brandschutzmaßnahmen implementiert.

In diesem Artikel werden verschiedene Brandschutzmaßnahmen anhand ihrer zugrunde liegenden Prinzipien detailliert beschrieben und ihre Vor- und Nachteile verglichen.

Brandschutzmaßnahmen für Stahlkonstruktionen lassen sich grundsätzlich in zwei Kategorien einteilen: Wärmedämmmethoden und Wasserkühlungsmethoden. Ihr gemeinsames Ziel ist es, sicherzustellen, dass Bauteile innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums ihre kritische Temperatur nicht überschreiten. Der Unterschied liegt im Ansatz: Wärmedämmmethoden verhindern die Wärmeübertragung auf die Komponenten, während Wasserkühlungsmethoden dafür sorgen, dass die Wärme an die Komponenten gelangt und diese dann abführt, um das Ziel zu erreichen.

Die Feuerwiderstandsklasse einer Stahlkonstruktion bezieht sich auf die Dauer, die sie einem Feuer während eines Standard-Brandtests standhält, gemessen vom Moment der Feuereinwirkung bis zum Verlust der Stabilität, Integrität oder Wärmedämmung.

Es ist wichtig zu beachten, dass sich Stahl selbst zwar nicht entzündet oder verbrennt, seine Eigenschaften jedoch erheblich von der Temperatur beeinflusst werden. Bei 250 Grad nimmt die Schlagzähigkeit von Stahl ab; und jenseits von 300 Grad nehmen seine Streckgrenze und seine Endfestigkeit deutlich ab. Bei tatsächlichen Bränden und konstanten Belastungsbedingungen liegt die kritische Temperatur, bei der Stahlkonstruktionen ihre statische Gleichgewichtsstabilität verlieren, bei etwa 500 Grad, während typische Brandtemperaturen 800–1000 Grad erreichen. Folglich erleiden Stahlkonstruktionen bei hohen Brandtemperaturen schnell eine plastische Verformung, was zu örtlichem Versagen und schließlich zum Einsturz und Versagen der gesamten Struktur führt.

Stahlkonstruktionen müssen Brandschutzmaßnahmen umfassen, um eine ausreichende Feuerwiderstandsklasse sicherzustellen. Dies verhindert ein schnelles Erhitzen von Stahlbauteilen auf kritische Temperaturen bei Bränden, vermeidet übermäßige Verformungen, die zum Einsturz der Struktur führen, und gewinnt dadurch wertvolle Zeit für die Brandbekämpfung und sichere Evakuierung, wodurch feuerbedingte Verluste minimiert werden.

Wärmebarrieremethoden
Zu den Wärmedämmmethoden, kategorisiert nach feuerfesten Beschichtungen und Einkapselungsmaterialien, gehören Sprüh- und Einkapselungstechniken. Beim Spritzverfahren werden Bauteile durch Aufbringen oder Aufsprühen feuerfester Beschichtungen geschützt. Die Verkapselungsmethode kann weiter in Hohlverkapselung und Feststoffverkapselung unterteilt werden.

Sprühmethode

Typischerweise werden feuerfeste Beschichtungen auf Stahloberflächen aufgetragen oder aufgesprüht, um eine feuerbeständige Wärmedämmschicht zu bilden und so die Feuerwiderstandsklasse von Stahlkonstruktionen zu verbessern. Diese Methode bietet eine einfache Konstruktion, geringes Gewicht, eine längere Feuerwiderstandsdauer und ist nicht durch die geometrische Form von Stahlbauteilen eingeschränkt. Es bietet eine gute Kosten-effektivität und Praktikabilität und ist daher weit verbreitet. Brandschutzbeschichtungen für Stahlkonstruktionen gibt es in verschiedenen Ausführungen, die grob in zwei Klassen eingeteilt werden: Dünnfilmbeschichtungen der Klasse B (d. h. intumeszierende Brandschutzbeschichtungen für Stahlkonstruktionen) und Dickfilmbeschichtungen der Klasse H.

Brandschutzbeschichtungen der Klasse B haben typischerweise eine Schichtdicke von 2-7 mm. Ihr Grundmaterial ist organisches Harz, das einen dekorativen Effekt hat und sich bei hohen Temperaturen ausdehnt und verdickt. Ihre Feuerwiderstandsdauer kann 0,5 bis 1,5 Stunden betragen. Brandschutzbeschichtungen für dünne -Stahlkonstruktionen zeichnen sich durch eine dünne Beschichtung, ein geringes Gewicht und eine gute Vibrationsfestigkeit aus. Für freiliegende Stahlkonstruktionen im Innenbereich und leichte Stahldachkonstruktionen, bei denen eine Feuerwiderstandsdauer von 1,5 Stunden oder weniger angegeben ist, werden dünnschichtige feuerfeste Beschichtungen für Stahlkonstruktionen empfohlen. Brandschutzbeschichtungen vom Typ H- haben typischerweise eine Schichtdicke von 8 bis 50 mm und weisen eine körnige Oberfläche auf. Sie bestehen hauptsächlich aus anorganischen Wärmedämmstoffen und zeichnen sich durch eine geringe Dichte und Wärmeleitfähigkeit aus. Die Feuerwiderstandswerte können 0,5 bis 3,0 Stunden betragen. Dickschichtige strukturelle Brandschutzbeschichtungen sind im Allgemeinen nicht-brennbar, alterungsbeständig und bieten eine zuverlässige Haltbarkeit. Für verdeckte Stahlkonstruktionen im Innenbereich, hoch-ganz{24}}Stahlkonstruktionen und mehrstöckige Industrieanlagen aus Stahl, die eine Feuerwiderstandsdauer von 1,5 Stunden oder mehr erfordern, sollten dickschichtige strukturelle feuerfeste Beschichtungen gewählt werden.

Kapselungsmethode

1) Hohlkapselungsmethode: Typischerweise werden feuerfeste Platten oder feuerfeste Steine ​​verwendet, um Stahlkomponenten entlang ihres Außenumfangs zu umhüllen. Die meisten Stahlkonstruktionen in heimischen petrochemischen Anlagen verwenden feuerfestes Ziegelmauerwerk, um Stahlkomponenten zu schützen. Diese Methode bietet eine hohe Festigkeit und Schlagfestigkeit, weist jedoch Nachteile auf, darunter einen erheblichen Platzbedarf und eine komplexe Konstruktion. Verwendung von leichten feuerfesten Platten wie faserverstärkten Zementplatten, Gipsplatten oder Vermiculitplatten als feuerfeste Außenschichten. Die Kastengehäusemethode für große Stahlkomponenten bietet Vorteile wie glatte und ebene Oberflächen, niedrige Kosten, minimalen Materialverlust, keine Umweltverschmutzung und Alterungsbeständigkeit und bietet vielversprechende Aussichten für eine breite Akzeptanz.

2) Massive Einhausungsmethode: In der Regel werden Stahlkomponenten durch Eingießen von Beton eingekapselt, um sie vollständig einzukapseln. Diese Methode wurde für die Stahlsäulen im Pudong World Financial Center in Shanghai verwendet. Zu den Vorteilen zählen die hohe Festigkeit und Schlagfestigkeit, zu den Nachteilen zählen jedoch der große Platzbedarf der Betonschutzschicht und die relativ komplexe Konstruktion, insbesondere bei Stahlträgern und -streben.

Wasserkühlungsmethoden

Zu den Wasserkühlungsmethoden gehören Wassersprühkühlung und wassergefüllte Kühlung.

Wassersprühkühlung
Bei der Wassersprühkühlung werden automatische oder manuelle Sprinkleranlagen über der Stahlkonstruktion installiert. Bei einem Brand entsteht durch die Aktivierung der Sprinkler ein kontinuierlicher Wasserfilm auf der Stahloberfläche. Wenn Flammen die Stahloberfläche erreichen, absorbiert das verdampfende Wasser Wärme und verzögert so das Erreichen der Grenztemperatur der Struktur. Diese Methode wurde im Bauingenieurgebäude der Tongji-Universität implementiert.

Wasser-Gefüllte Kühlung

Bei der wassergefüllten Kühlung werden hohle Stahlteile mit Wasser gefüllt. Das in der Stahlkonstruktion zirkulierende Wasser absorbiert die vom Stahl selbst erzeugte Wärme, wodurch die Struktur während eines Brandes niedrigere Temperaturen aufrechterhalten und einen Verlust der Tragfähigkeit aufgrund übermäßiger Erwärmung verhindern kann. Um Korrosion und Gefrieren zu verhindern, muss das Wasser Rostschutzmittel und Frostschutzmittel enthalten. Diese Methode wurde für die Stahlstützen im 64-stöckigen US Steel Building in Pittsburgh, USA, angewendet.

Wärmedämmmethoden nutzen wärmeblockierende Materialien, um die Wärmeübertragung auf Stahlbauteile zu verlangsamen. Insgesamt bietet die Isolierung eine bessere Wirtschaftlichkeit und Praktikabilität, wodurch sie in tatsächlichen technischen Anwendungen weit verbreitet ist. Während die Wasserkühlung eine wirksame Brandschutzmaßnahme ist, haben ihre speziellen Anforderungen an die Konstruktion und die höheren Kosten ihre weitverbreitete Anwendung in der Ingenieurspraxis eingeschränkt.

Da die Wärmedämmung im Brandschutz von Stahlkonstruktionen weit verbreitet ist, liegt der Schwerpunkt des folgenden Abschnitts auf der Gegenüberstellung der Vor- und Nachteile von Spritzbeschichtungs- und Einkapselungsmethoden innerhalb der Wärmedämmmaßnahmen.

Feuerwiderstand

Hinsichtlich der Feuerbeständigkeit übertrifft das Einkapselungsverfahren das Sprühbeschichtungsverfahren. Einkapselungsmaterialien wie Beton und feuerfeste Steine ​​weisen im Vergleich zu herkömmlichen feuerfesten Beschichtungen eine überlegene Feuerbeständigkeit auf. Darüber hinaus übertrifft die Feuerbeständigkeit neuer feuerfester Platten die von feuerfesten Beschichtungen. Ihre Feuerwiderstandsgrenze liegt deutlich über der von feuerfesten Dämmstoffen gleicher Dicke für Stahlkonstruktionen und übertrifft sogar die von intumeszierenden Brandschutzbeschichtungen.

Haltbarkeit

Einkapselungsmaterialien wie Beton weisen eine hervorragende Haltbarkeit auf und widerstehen einem Leistungsabfall im Laufe der Zeit. Die Haltbarkeit bleibt eine ungelöste Herausforderung für feuerfeste Beschichtungen von Stahlkonstruktionen. Bei organischen-dünnen und ultra-feuerfesten Beschichtungen kann es, egal ob im Innen- oder Außenbereich, zu Zersetzung, Abbau oder Alterung ihrer organischen Bestandteile kommen. Dies führt zum Abblättern der Beschichtung, zur Pulverisierung oder zum Verlust der Brandschutzeigenschaften.

Bearbeitbarkeit

Die Sprühanwendung für den Brandschutz von Stahl ist unkompliziert und erfordert keine komplexen Werkzeuge. Allerdings bieten durch Sprühen-aufgetragene Beschichtungen schlechte Qualitätskontrollen-Rostentfernung, Beschichtungsdicke und Umgebungsfeuchtigkeit sind schwer zu kontrollieren. Einkapselungsmethoden sind komplexer, insbesondere für Streben und Balken, bieten aber eine bessere Kontrollierbarkeit und gleichbleibende Qualität. Durch die Anpassung der Dicke des Einkapselungsmaterials können die Feuerwiderstandsgrenzen präzise gesteuert werden.

Umweltauswirkungen

Beim Sprühauftrag wird die Umwelt beim Bau belastet, zumal bei hohen Temperaturen gesundheitsschädliche Gase freigesetzt werden können. Verkapselungsmethoden erzeugen während des Baus, des normalen Gebrauchs oder unter Brandbedingungen keine toxischen Emissionen, was dem Umweltschutz und der Sicherheit des Personals bei Bränden zugute kommt.

Wirtschaft

Die Sprühmethode zeichnet sich durch eine einfache Konstruktion, kurze Projektdauer und niedrige Baukosten aus. Brandschutzbeschichtungen sind jedoch teuer und die Wartungskosten sind aufgrund von Problemen wie der Alterung der Beschichtung hoch. Die Wickelmethode ist mit höheren Baukosten verbunden, verwendet jedoch kostengünstige Materialien und verursacht geringe Wartungskosten. Insgesamt bietet die Wickelmethode eine bessere Wirtschaftlichkeit.

Anwendbarkeit

Das Sprühverfahren ist nicht durch die Bauteilgeometrie eingeschränkt und wird häufig zum Schutz von Balken, Säulen, Bodenplatten, Dachkonstruktionen und anderen Bauteilen eingesetzt. Es eignet sich besonders für den Brandschutz in räumlichen Tragwerkssystemen wie leichten Stahlkonstruktionen, Raumfachwerkkonstruktionen und unregelmäßigen Stahlkonstruktionen. Die Wickelmethode erfordert eine komplexe Konstruktion, insbesondere bei Bauteilen wie Stahlträgern und Streben. Es wird im Allgemeinen häufiger für Säulen verwendet und hat ein weniger umfangreiches Anwendungsspektrum als das Sprühverfahren.

Raumbelegung

Feuerfeste Beschichtungen, die beim Sprühauftrag verwendet werden, nehmen nur ein minimales Volumen ein, wohingegen Einkapselungsmaterialien wie Beton und feuerfeste Steine ​​Platz beanspruchen und die nutzbare Fläche reduzieren. Darüber hinaus sind Verkapselungsmaterialien deutlich schwerer.

Basierend auf der obigen Analyse können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden:

1) Bei der Auswahl von Brandschutzmaßnahmen für Stahlkonstruktionen müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden, darunter Bauteiltyp, Konstruktionsschwierigkeit, Qualitätsanforderungen, Haltbarkeitsanforderungen und Wirtschaftlichkeit;

2) Beim Vergleich von Sprühauftrags- und Verkapselungsmethoden bietet der Sprühauftrag vor allem Vorteile in Bezug auf vereinfachte Konstruktionstechniken und minimale Änderungen am Erscheinungsbild der Komponenten nach der Anwendung. Die Kapselung bietet vor allem Vorteile in Bezug auf geringere Kosten, überlegene Feuerbeständigkeit und Haltbarkeit;

3) Jede Brandschutzmaßnahme besitzt unterschiedliche Stärken und Grenzen. Bei technischen Anwendungen kann die Kombination mehrerer Maßnahmen ihre jeweiligen Vorteile nutzen und Defizite ausgleichen. Durch die Umsetzung unterschiedlicher Maßnahmen können mehrere Ebenen des Brandschutzes geschaffen werden.