镀锌钢在火灾中的性能

被动防火通常需要不同的喷涂系统,成本较高,这是钢结构和组合结构与简单的混凝土结构相比的一个经济劣势。如果腐蚀防护系统也能防火,那将是非常有益的。钢构件是不可燃的,不会引起火灾,但钢的机械性能与温度有关。

计算屈服强度(400℃以上)和弹性模量(200℃以上)随温度升高而减小。例如,如果一个钢构件达到大约600°C的温度,大约53%的初始强度损失。在确定钢结构的尺寸以防止火灾时,必须考虑到这一点。

火由不同的阶段组成:

  • 一个缓慢的启动和闷烧阶段在开始。
  • 满火阶段有闪络和相应的温度升高。
  • 之后,随着时间的推移,火焰逐渐平息,冷却阶段开始。

不同火灾阶段的时间是不同的。

温度范围

锌层对高达550°C的钢有积极的影响。这个极限可能取决于锌和金属间相的熔点:

纯锌:419.5°C

Zeta相:530°C

三角洲阶段:530-670°C

HDG在火中的几个好处

火灾实际试验结果表明,热镀锌钢板与未镀锌钢板相比有以下几个优点:

-减少排放因子

慢加热

-达到临界温度的时间更长

影响发射因子的一个重要因素是涂层的颜色。如表中所示,为了获得低排放系数,涂层应该是明亮的或浅灰色。

类型的钢 排放因子高达500℃ 排放系数超过500℃
碳钢 0,70. 0,70.
不锈钢(1) 0, 40 0, 40
HDG钢(2) 0, 35 0,70.
  1. 根据附件C
  2. 根据EN ISO 1461镀锌钢和根据EN ISO 14713-2 A类或B类钢组成,表1。

表1。黑钢、不锈钢、镀锌钢的排放因子。

如果涂层是深灰色的,排放会更高,所以使用正确的钢类型是很重要的。根据上表的脚注,钢材应采用铝压头,或硅压头,硅含量不超过0.25%。为了安全起见,最好推荐一个较低的最大硅含量,这取决于施工。

防火类 耐火时间(分钟) 施工检验规程中的符号
F 30 ≥30 耐高温的
F 60 ≥60. 耐高温的
F 90 ≥90 防火
F 120 ≥120 防火
F 180. ≥180 非常防火

表2。防火类。研究表明,F30可以与镀锌钢一起使用,而无需任何进一步的保护。

有趣的商业案例


从下面的图片可以很容易地理解镀锌防火的大商业利益。如果使用油漆保护,则需要定期进行维护。镀锌不需要维护,初始成本是相同的水平。

图1所示。镀锌钢与膨胀漆的成本及使用寿命比较。

激励者协会英国爱尔兰,最近在钢结构研究所(SCI)的帮助下出版了一份设计指南,大大简化了火灾中镀锌钢构件的设计,避免了任何复杂的计算。下面的文字描述了背景。

由于前一部分中描述的锌涂层的表面发射率的降低,镀锌钢构件可能经历较小的温度增加等效的非镀锌钢构件。

降低辐射率的好处对于需要更短的耐火周期的结构来说是最重要的,例如停车场或单层工业建筑,在这些建筑中,镀锌钢构件的温度达到500℃左右。原因如下:

  1. 在低于500°C的温度下,镀锌钢构件的温度上升速率为0.35,而非镀锌钢构件的温度上升速率为0.70;
  2. 钢强度对温度最敏感,温度约为500°C,因此在该温度范围内,温度小的差异对强度损耗具有明显的影响。

在低于400°C的温度下,钢的强度没有任何损失。因此,在400℃左右的温度下,即使镀锌钢构件的温度比同等的非镀锌钢构件的温度低,也不一定会导致强度的显著差异。

另一方面,对于高于500℃的温度,镀锌钢的表面发射率与非镀锌钢(0.70)的表面发射率相同,因此随着温度升高,镀锌钢和非镀锌钢温度会聚.

影响钢结构中温度增加的速率的另一个重要因素是截面因子。在EN 1993-1-2中,区间因子定义为暴露于每单位长度火灾的成员的表面积,一个M,除以单位长度的体积,V.因此,一个四边暴露在火中的梁比一个等效的三边暴露在火中的梁有更高的截面系数。

无论截面是镀锌还是未镀锌,这个因素的影响是相同的,因为它只取决于截面的几何比例。即截面系数越大,构件内温度升高的速度越快。因此,与非镀锌钢相比,使用镀锌钢的最大好处是,根据截面的截面因素,可以在不同的截面、不同的火灾暴露时间出现在不同的截面上。

图2比较了三种不同的万向梁截面镀锌钢梁和非镀锌钢梁的钢温升高情况:

- 533 x 210 x 22
尺寸(宽x深x深
- 406 x 140 x 39

梁暴露在火从三面与截面因素k上海(一个m⁄V)75米-1109米-1和170米-1, 分别。该图表明,对于15分钟的火灾曝光期,与等效的非镀锌钢部分别相比,镀锌钢部可以实现3.5分钟,3.5分钟和2.0分钟的耐火期。对于耐火电阻30分钟,镀锌钢部分,截面尺寸为170米-1(UB 254 x 146 x 43)与等效的非镀锌钢部分非常相似。这是因为在30分钟的火灾曝光时,镀锌部分的温度为820°C,显着高于500°C。对于截面为75米的部分-1(但是,UB 533 x 210 x 122),在30分钟的火灾暴露时,在火灾暴露时间仍有明显的增益3分钟。

火曝光时间

图2。镀锌和非镀锌钢截面的温升应符合标准标称火灾曲线

如果使用镀锌钢的火灾曝光时间的收益被转换为增加电阻,则优点更明显。图3比较了先前讨论过的镀锌和非镀锌钢梁的电阻与时间行为。

在图中,阻力由构件所能达到的最大利用值表示,计算方法为火灾情况下梁的横截面阻力与室温下横截面阻力的比值。0.7的利用率用一条水平线表示,这条水平线对应于在火灾情况下设计横向约束梁的最大实际值。这是因为在火中设计的利用率大于0.7的横梁很可能在室温下失效。

记住,在防火15分钟,尽管镀锌部分UB 533 x 210 x 122(截面系数为75米-1ub254 x 146 x 43(截面因数为109米)-1)能够实现更大的利用率比他们的非镀锌的同行,在这些部分使用镀锌钢没有任何好处,而非非镀锌钢。另一方面,对于UB 406 × 140 × 39截面,其截面系数最大(170 m-1),镀锌和非镀锌横截面的最大利用率低于0.70,15分钟火灾暴露。在这种情况下,与使用非镀锌钢相比,使用镀锌钢导致载荷承载能力的载荷能力增加35%。

对于UB 533 × 210 × 122和UB 254 × 146 × 43两部分,在火灾暴露时间明显短于镀锌部分的情况下,非镀锌钢部分所能达到的最大利用率低于0.7。例如,对于截面系数最低的钢截面(UB 533 × 210 × 122),在火灾暴露23分钟时,当镀锌截面的最大利用率降至0.70时,它可以比非镀锌截面多承受70%的负荷。在30分钟的火灾暴露下,即使在ub533 × 210 × 122和ub254 × 146 × 43路段的防火时间增益很低(见图2),它们在载重能力方面分别显示了9%和14%的适度增益。

一般来说,横向约束梁或张拉板由镀锌钢制成,截面系数在105米范围内-1<ksh (amv.m < 182 m-1在15分钟的火灾暴露条件下,可比非镀锌部分多承受30%以上的负荷。对于横向约束梁,这个截面系数范围的下限取决于梁是否在三面或四面暴露于火中,或者它是否与板一起工作。因此,对于四边遇火的梁,截面系数下限为105 m-1,对于三面暴露在火中的光束,这个值是145米-1115米-1分别。对于镀锌钢柱,如果截面系数在81米范围内,则在暴露于火15分钟时,防火性能也有类似的提高-1<ksh (一个m⁄Vm < 190 m-1对于暴露于火灾30分钟的设计,当镀锌钢构件的截面系数在33 m-1 <范围内时,耐火性能可提高30%以上。ksh (一个m⁄V] m <64米-1

火曝光时间

图3.镀锌的最大利用和非镀锌钢梁暴露在三面上的火灾

实验室研究-全尺寸测试

许多研究人员观察到,镀锌钢构件在火灾中达到的温度低于同等的非镀锌钢构件。据推测,这种效应是由于镀锌表面较低的发射率。

在几项研究中提出了0.29-0.40的发射率值,而不是0.7的非镀锌钢表面的发射率,其广泛用于火灾期间的钢温度的预测。

尽管这一效应已经被人们认识了几十年,但直到最近才有足够的证据来确定镀锌钢的标准发射率值。

据萨拉1在美国,金属表面的辐射是基于原子和分子振动,这种振动取决于大约10-10米厚的表层的化学成分。由于镀锌表面的外层锌层厚度为5 ~ 20×10-6 m,正是这层厚度决定了镀锌钢的辐射性能。

镀锌钢耐火性的初步试验

海尼索进行了第一次量热试验,以表明在火灾期间镀锌层对钢温度的有利影响2.试样经受了锥形量热计的热流。在420°C以下镀锌钢构件的辐射率导出值为0.2。

位于布拉格的捷克技术大学通过进行两次全尺寸炉试验和在实验楼的一个隔间中测试样品,验证了镀锌钢在典型的火灾条件下的表面发射率(图4)。3.

镀锌钢耐火性能

图4:从隔室天花板上悬挂的试样

打开和闭合钢标本,一米长,悬挂在隔室的天花板上,在最高预期的气体温度下。标本的布置确保了均匀的温度分布。配置文件成对排列(镀锌和非镀锌)。通过矿物纤维棉两端分离出样品,使得样品模拟无限长度元件,并且仅在外表面发生热传递。

每个试样的温度由一个直径为2mm的热电偶测量,热电偶放置在每个试样的中点。用23毫米热电偶和7个平板热电偶测量了防火室的气体温度。图4显示了试件在隔间内的温升。

镀锌钢耐火温度

图5。防火测试测温升:气体温度(φ1),镀锌IPE (TZ4)和非镀锌IPE (TZ3)

假设表面发射率为0.32的表面发射率的值,比较测量的温度升高,这是在水平炉火测试中被测量的0.32的0.32的值。图6显示了测量和预测结果之间的良好相关性,特别是在火的前20分钟内。

镀锌钢的防火温升

图6.消防期间的温度升高:镀锌IPE(TZ4)的测量气体温度(φ1),测量和预测温度,假设发射率= 0.32

最近,Gaigl4进行了两次全尺寸测试和147次实验室测试,以测量镀锌钢的辐射率。在小型实验室试验中,对不同类型的镀锌试样进行加热,通过热电偶和红外传感器测量试样的温度,推导出试样的发射率。

这些研究表明,不同硅含量的一系列镀锌钢的发射率值是一致的。硅含量很重要,因为它的存在会影响镀锌层的厚度和结构。与一致的发射率值0.35相关的硅含量范围是现代结构钢中通常遇到的,并由EN ISO 14713-2的A类和B类定义5

Gaigl还观察到,尽管在500°C以下的温度下可靠地测量了0.35的发射率,但在更高的温度下,涂层形貌的变化将增加发射率,接近非镀锌钢(即0.7)。

欧洲规范3第1.2部分结构防火设计的修订(EN 1993-1-2)6该标准将在2023年出版的下一个修订版中包括。修订总结见表2。

EN 1993-1-2修订

表2。修订EN 1993-1-2(截至2020年6月)

在镀锌钢上进一步的火灾试验

在法国进行了进一步的支持性研究。在CTICM、Galvazinc和EGGA的一个联合项目中,三套标准火灾测试在法国effects进行。2016年,对四边暴露的I型钢柱和H型钢柱进行了防火测试。2017年,对三面暴露的I型和H型梁以及四面暴露的I型和空心截面柱进行了进一步的试验(图7)。

镀锌钢耐火

图7。CTICM- galvazin - egga测试的样品[9]梁测试(左)和2017年的柱测试(右)

通过CTICM的分析预测模型验证了60分钟的提出的60分钟的发射率7在布拉格8.图8显示了15分钟和30分钟曝光后,表面发射率εm = 0.35的预测结果和验证结果的对比。这些测试表明,假设表面发射率= 0.35,测量的温度和预测的温度之间有很好的一致性。

镀锌钢的防火发射率

图8。将预测的表面发射率εm= 0.35与15和30分钟曝光后的测量结果进行比较

概括

研究表明,锌层对火灾时的热产生有积极的影响。在许多情况下,不需要任何额外的防火保护,就可以承受F30的热镀锌钢结构的防火性能。根据标准EN 13501-2(建筑产品和建筑构件的防火分类),这意味着热镀锌结构可以承受30分钟的火灾暴露。

参考

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  2. HEINISUO,M.锌涂层对WQ束底法兰在火中的影响,坦佩雷理工大学,2014
  3. JIRKU j和WALD F。锌涂层对火灾中钢构件温度的影响,土木工程学报,2015年第6期
  4. Gaigl,C.和Mensinger,M.镀锌结构的耐火性,第25届国际镀锌会议(Intergalva 2018),柏林,德国,2018年
  5. En iso 14713-2: 2020锌涂层。结构中钢铁的防腐指南和建议。热浸镀锌,CEN,2020
  6. EN 1993-1-2: 2005欧洲规范3:钢结构设计。第1-2部分:总则。结构防火设计岑,2005
  7. BIHINA G。镀锌钢型材的温度评估:浴镀锌钢发射率值的验证,技术报告A 30.4.2018),欧洲通用电镀协会技术工业建设中心Métallique, 2017
  8. RASZKOVA, S。热镀锌钢的发射率,硕士论文,捷克布拉格技术大学,2019年
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